Glucose and ethanol-dependent transcriptional regulation of the astaxanthin biosynthesis pathway in Xanthophyllomyces dendrorhous
- 作者
- Andrés Marcoleta, Mauricio Niklitschek, Aniela Wozniak, Carla Lozano, Jennifer Alcaino, Marcelo Baeza, Victor Cifuentes
- 杂志
- BMC Microbiology（2011）
- DOI
- 10.1186/1471-2180-11-190
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
葡萄糖和乙醇等碳源如何影响法夫酵母（Xanthophyllomyces dendrorhous）中虾青素生物合成途径的转录调控，以及其分子机制。
研究策略
通过定量RT-PCR分析添加葡萄糖或乙醇后类胡萝卜素合成基因（crtYB、crtI、crtS）的mRNA水平变化；结合色素产量和组成分析（RP-HPLC），并利用不能合成虾青素的纯合突变株（crtYB、crtI、crtS突变株）研究反馈调控对葡萄糖转录抑制的影响。
核心内容
该研究以产虾青素的法夫酵母为对象，考察葡萄糖和乙醇对虾青素生物合成途径的转录调控机制。通过定量RT-PCR分析发现，添加葡萄糖后，类胡萝卜素合成关键基因crtYB和crtI的成熟转录本均下降约6倍，而替代转录本分别下降约18倍和35倍，crtS mRNA在2小时下降约5倍，且该抑制呈浓度依赖性。与此对应，葡萄糖处理组在24小时内无净色素合成，较对照降低3倍。添加乙醇后，crtYB成熟mRNA升高约4.5倍，crtS mRNA升高约4倍，24小时总类胡萝卜素含量增加约1.8倍，但虾青素相对比例下降，表明诱导了从头合成并伴随中间产物积累。利用crtYB、crtI和crtS纯合突变株进行的实验显示，这些突变株中葡萄糖对相应基因的转录抑制消失甚至转为轻微诱导，说明完整的虾青素合成对葡萄糖介导的转录抑制至关重要。该研究首次从转录水平阐明了碳源对虾青素合成的调控机制，为优化发酵策略提供了分子依据。
创新点
首次证明碳源依赖的虾青素生物合成调控涉及转录水平变化；发现葡萄糖对crtYB、crtI、crtS三个基因产生转录抑制，与色素合成完全抑制相关；乙醇可通过诱导crtYB和crtS表达促进类胡萝卜素从头合成。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Xanthophyllomyces dendrorhous UCD 67-385 | 虾青素生物合成途径（由GGPP合成虾青素） | crtYB | 八氢番茄红素-β-胡萝卜素合酶（PBS） | 催化 | 双功能酶，具有八氢番茄红素合酶和β-胡萝卜素合酶活性，催化GGPP缩合生成八氢番茄红素，并催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous UCD 67-385 | 虾青素生物合成途径 | crtI | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素经4步脱氢反应生成番茄红素 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous UCD 67-385 | 虾青素生物合成途径 | crtS | 虾青素合酶（细胞色素P450） | 催化 | 催化β-胡萝卜素氧化为虾青素，需要细胞色素P450还原酶提供电子 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous UCD 67-385 | 碳代谢/葡萄糖调控 | grg2 | 未知 | 调控 | 葡萄糖可抑制基因，作为葡萄糖转录抑制的验证标志，其表达受葡萄糖强烈抑制 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous UCD 67-385 | 糖酵解/发酵代谢 | PDC | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 葡萄糖诱导基因，作为葡萄糖转录诱导的验证标志 |
关键发现
- 添加葡萄糖后，grg2 mRNA水平下降约130倍，PDC mRNA升高约28倍（均在4h达到最大）。葡萄糖导致crtYB成熟转录本下降约6倍、替代转录本下降约18倍
- crtI成熟转录本下降约6倍、替代转录本下降约35倍
- crtS mRNA在2h下降约5倍，24h后升高约10倍。葡萄糖浓度依赖性实验表明最大抑制效果随浓度增加（10、5、1 g/l），1 g/l时无明显抑制。添加2 g/l乙醇后，crtYB成熟mRNA升高约4.5倍，crtI替代转录本下降约4.5倍，crtS mRNA升高约4倍（4h达最大）。色素分析显示：葡萄糖处理后24h内无净色素合成，比对照降低3倍
- 乙醇处理后24h总类胡萝卜素增加约1.8倍，并伴随中间产物积累（astaxanthin相对比例从75%下降），说明诱导了从头合成。在突变株中，葡萄糖对crtYB、crtI成熟转录本的抑制消失，甚至转为轻微诱导，表明正常虾青素合成对葡萄糖转录抑制至关重要。
研究结论
在Xanthophyllomyces dendrorhous中，葡萄糖通过下调crtYB、crtI和crtS的表达抑制虾青素合成，而乙醇通过上调crtYB和crtS表达诱导色素合成。该研究首次从转录水平解释了葡萄糖对虾青素生物合成的强烈抑制作用，并提示色素合成状态影响葡萄糖的调控效应。