We compared the transcriptome, proteome, and nucleotide sequences between wild-type E coli W3110 and the L-threonine-overproducing mutant E. coli TF5015. DNA macroarrays were used to measure mRNA levels for the all genes of E. coli and two-dimensional gel electrophoresis was employed to compare protein levels. It was observed that only 54 in 4290 genes (1.3%) exhibited differential expression profiles. Typically, genes such as aceA, aceB, icdA, gltA, glnA, leu operon, proA, thrA, thrC, and yigJ, which are involved in glyoxylate shunt, TCA cycle, and amino acids biosynthesis (L-glutamine, L-leucine, proline, and L-threonine), were significantly up-regulated, while the genes dadAX, hdeA, hdeB, ompF, oppA, oppB, oppF, yfiD, and many ribosomal protein genes were down-regulated in TF5015 compared to W3110. The differential expression such as up-regulation of thr operon, repression of asd, dapB, and metE, and expression of yigJ would result in an accumulation of L-threonine in TF5015. Furthermore, two significant mutations, thrA345 and ilvA97, which are essential for overproduction of L-threonine, were identified in TF5015 through the sequence analysis. Up-regulation of aceBA and down-regulation of b1795, hdeAB, oppA, and yfiD seem to be linked with a low accumulation of acetate in TF5015. Such comprehensive analyses provide information to understand the regulatory mechanism of L-threonine production and the physiological consequences in the mutant stain.
Based on the functional genomic analysis and biochemical information, we reconstructed the metabolic map for L-threonine in TF5015, and determined the target genes to be modified for metabolic overproduction of L-threonine in TF5015. Of the selected target genes, introduction of an extra copy of the thr operon or the asd, ppc, and aspC into TF5015 resulted in an increase of L-threonine production by 12%, 6%, 5%, and 4.5%, respectively. These results support our approach and suggest that it can be effectively used for other metabolites in appropriate overproducing organisms as complementary to traditional methods.
야생 대장균 W3110과 쓰레오닌 과량생산 변이 대장균 TF5015사이의 transcriptome, proteome 및 염기서열을 비교하였다. 대장균의 모든 유전자의 mRNA 수준을 측정하기 위해서 DNA macroarray를 사용하였으며, 단백질 수준을 비교하기위해서 two-dimensional gel electrophoresis를 사용하였다. 4290개의 유전자중에서 1.3%인 54개의 유전자가 다른 발현양상을 나타냈다. 대표적인것으로는, glyoxylate shunt, TCA cycle 및 아미노산 생합성 (글루타민, 루이신, 프롤린, 쓰레오닌) 에 관여하는 aceA, aceB, icdA, gltA, glnA, leu operon, proA, thrA, thrC 및 yigJ 과 같은 유전자가 W3110에 비해서 TF5015에서 상대적으로 많이 발현되었으며, dadAX, hdeA, hdeB, ompF, oppA, oppB, oppF, yfiD 및 많은ribosomal protein 유전자들은 상대적으로 TF5015에서 적게 발현되었다. thr 오페론의 과량발현, asd, dapB 및 metE 의 억제 및 yigJ의 과발현과 같은 서로다른 발현이 TF5015에서 쓰레오닌의 축적을 가져오는것으로 여겨진다. 더우기 두개의 중요한 변이, thrA345 및ilvA97, 가 염기서열분석을 통해서 TF5015에서 확인되어졌다. aceBA 의 과발현, b1795, hdeAB, oppA 및yfiD 의 발현억제는 TF5015에서 초산의 낮은 축적과 관련있는것으로 여겨진다. 이러한 광범위한 분석을 통해서 변이주에서 쓰레오닌 생산에 관련된 조절기작 및 생리적인 결과물에 관한 정보를 얻었다.
기능 유전체학 분석 및 생화학적 정보에 기초하여, TF5015균주에서 쓰레오닌 관련 대사지도를 재구성하였으며, 그로부터 쓰레오닌 과량생산을 위하여 변형하고자하는 목표 유전자를 결정하였다. 이들중에서 thr operon 또는asd, ppc 및aspC 유전자를 TF5015에서 증폭하여 쓰레오닌 생산이 각각12%, 6%, 5%, 및 4.5% 증가하였다. 이러한 결과는 우리의 연구접근법을 지지하며, 전통적인 균주개발방법과 상호보완하면서 다른 대사산물을 과량생산하는 미생물을 개발하고자 할때 효과적일것으로 여겨진다.
