Comparative genomics and evolutionary insights into zeaxanthin biosynthesis in two novel Flavobacterium species
- 作者
- Ye Zhuo, Chun-Zhi Jin, Chang-Soo Lee, Kee-Sun Shin, Hyung-Gwan Lee
- 杂志
- BMC Microbiology（2025）
- DOI
- 10.1186/s12866-025-03954-0
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
从环境样品分离的两株新型黄杆菌的分类地位及其玉米黄质生物合成途径中番茄红素β-环化酶类型（CrtY与CrtYcd）的结构差异与催化效率关系。
研究策略
采用多相分类学方法鉴定新种，对45种黄杆菌进行比较基因组学分析，结合蛋白质序列比对、3D结构预测和分子对接研究CrtY与CrtYcd的结构差异，并通过HPLC和LC-MS测定玉米黄质产量。
核心内容
本研究从环境样品中分离并鉴定出两株产玉米黄质的新型黄杆菌Flavobacterium sedimentum SUN046和Flavobacterium fluvius SUN052。通过多相分类学方法结合基因组分析，确认二者均为新种，其16S rRNA基因相似性最高分别为96.8%和97.3%，全基因组ANI为76.9%–81.1%。两菌株均利用MVA途径和crt基因簇合成玉米黄质，产量分别达6.49 μg/mL和13.23 μg/mL，高于多数已报道黄杆菌。比较基因组学揭示SUN046缺乏HMG-CoA合酶却仍保留功能完整的MVA途径，且携带罕见的融合型番茄红素β-环化酶CrtYcd，而SUN052具有常规CrtY。分子对接显示CrtYcd对番茄红素的结合亲和力（-11 kcal/mol）强于CrtY（-9.4 kcal/mol），但活性腔体积较小（960 ų对2,335 ų），单活性位点与多活性位点的结构差异可能影响催化效率。两菌株均不含芳基多烯色素，利于玉米黄质纯化。该发现为黄杆菌属类胡萝卜素合成途径的进化复杂性提供了新见解，也为其生物技术应用奠定了资源基础。
创新点
首次对黄杆菌属中不同番茄红素β-环化酶（CrtY与CrtYcd）的结构变异进行比较基因组分析；发现SUN046缺乏HMGCS但仍保留MVA途径功能，可能代表一种新类型的修饰MVA途径；发现CrtYcd在黄杆菌中罕见，且其单活性位点与CrtY多活性位点影响催化效率和玉米黄质产量。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | ACAT | 乙酰CoA乙酰转移酶 | 催化 | 两菌株均含有，参与MVA途径上游乙酰CoA缩合。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGCR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化HMG-CoA生成甲羟戊酸。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MEVK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化甲羟戊酸磷酸化。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | PMEVK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化5-磷酸甲羟戊酸生成5-二磷酸甲羟戊酸。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | DPMVD | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化5-二磷酸甲羟戊酸脱羧生成IPP。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化IPP异构化为DMAPP。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化GGPP缩合生成八氢番茄红素。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046; Flavobacterium fluvius SUN052 | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 两菌株均含有，催化β-胡萝卜素羟化生成玉米黄质。 |
| Flavobacterium sedimentum SUN046 | 类胡萝卜素生物合成 | crtYcd | 融合型番茄红素β-环化酶（CrtYcd） | 催化 | 罕见融合型，由CrtYc和CrtYd组成，具有单活性位点，膜结合；与番茄红素结合亲和力-11 kcal/mol，活性腔体积960 Å^3。 |
| Flavobacterium fluvius SUN052 | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | 番茄红素β-环化酶（CrtY） | 催化 | 常见细菌型，具有多个活性位点，依赖FAD；与番茄红素结合亲和力-9.4 kcal/mol，活性腔体积2,335 Å^3。 |
| Flavobacterium fluvius SUN052 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGCS | HMG-CoA合酶 | 催化 | SUN052含有此基因，而SUN046缺失但仍具MVA途径功能，可能有非同源酶替代。 |
关键发现
- 筛选获得两株新型黄杆菌 Flavobacterium sedimentum SUN046 和 Flavobacterium fluvius SUN052，均利用MVA途径和crt基因簇（crtB, crtI, crtY/crtYcd, crtZ）合成玉米黄质。SUN046缺乏HMG-CoA合酶（HMGCS）却仍具有功能完整的MVA途径，且携带罕见的融合型番茄红素β-环化酶CrtYcd
- SUN052则具有常规CrtY。SUN046基因组为4,140,562 bp（GC含量33.9%，3,452个CDS），SUN052基因组为3,363,512 bp（GC含量31.3%，2,987个CDS）。两菌株16S rRNA基因相似性最高分别为96.8%和97.3%，全基因组ANI为76.9%–81.1%，确认其为新种。玉米黄质产量分别为6.49 μg/mL（SUN046）和13.23 μg/mL（SUN052），高于已报道的其他黄杆菌（如F. multivorum ATCC 55238T为9.8±0.09 μg/mL，F. sp. ATCC 25582为0.75±0.03 μg/mL）。分子对接显示SUN046_CrtYcd与SUN052_CrtY与番茄红素的结合亲和力分别为-11和-9.4 kcal/mol，活性腔体积分别为960 Å^3和2,335 Å^3
- CrtYcd具有单活性位点，CrtY具有多活性位点且依赖FAD。两菌株均不含芳基多烯色素，有利于玉米黄质纯化。
研究结论
两株新种是产玉米黄质的宝贵新资源，其类胡萝卜素合成途径的差异，尤其是番茄红素β-环化酶的结构与催化差异，为理解黄杆菌属的遗传与进化复杂性提供了基础见解，也为其生物技术应用奠定基础。