Evidence for the Role of Redox Carriers in Photosynthesis Gene Expression and Carotenoid Biosynthesis in Rhodobacter sphaeroides 2.4.1
- 作者
- James P. O'Gara, Samuel Kaplan
- 单位
- Department of Microbiology and Molecular Genetics, Medical School, The University of Texas Health Science Center, Houston, Texas 77030
- 杂志
- Journal of Bacteriology（1997）
- DOI
- 10.1128/jb.179.6.1951-1961.1997
- 所属领域
- 微生物学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明Rhodobacter sphaeroides中ccoNOQP操纵子和rdxB基因产物作为氧化还原载体在光合基因表达和类胡萝卜素生物合成中的调节作用
研究策略
构建ccoP、rdxB单突变及双突变等系列突变株，分析其在有氧、厌氧光合和固氮条件下的菌落形态、色素组成、光谱复合物水平、puc/puf/bchF启动子活性及crtA表达，并进行基因互补实验
核心内容
该研究以Rhodobacter sphaeroides 2.4.1为对象，通过构建ccoP、rdxB及其双突变株，在有氧、厌氧光合及固氮条件下系统分析了菌落形态、色素组成、光谱复合物和启动子活性，以揭示ccoNOQP操纵子和rdxB基因编码的氧化还原载体在调控光合基因表达与类胡萝卜素生物合成中的角色。结果表明，有氧条件下rdxB或ccoP突变使puc启动子活性升至野生型的约12倍（2577对191单位），puf启动子活性升至约4倍（423对98单位），证明这些突变可解除有氧条件下对光合基因表达的抑制。在固氮光合生长时，双突变株中球红烯仅占总类胡萝卜素的8%至13%，而野生型为82%，且SE/SO比值变化超过50倍，表明球红酮大量积累；但crtA转录仅升高约60%，提示主要受转录后调控。研究由此提出，CcoNOQP和RdxBH构成一条不依赖PpsR的氧化还原信号通路，通过影响细胞氧化还原状态抑制光合基因表达并转录后调控CrtA介导的色素转化，为理解光合基因表达与呼吸链氧化还原状态的偶联提供了新模型。
创新点
首次证明ccoP和rdxB突变均可在有氧条件下诱发光合基因表达去阻遏，并在厌氧光合/固氮条件下使球红酮大量积累；提出膜产生氧化还原信号或关键氧化还原中间体调控光合基因表达及类胡萝卜素生物合成的模型
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 呼吸链/细胞色素cbb3氧化酶 | ccoNOQP | CcoP (二血红素细胞色素) | 能量供给 | cbb3型末端氧化酶组分，参与电子传递和氧感应；ccoP突变使有氧下光合基因去阻遏，且NADI反应阴性 |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 氧化还原信号/光合基因表达调控 | rdxB | RdxB (膜蛋白, 预测结合两个[4Fe-4S]簇) | 调控 | rdxB为rdxBHI基因簇首基因，突变导致有氧下puc/puf去阻遏和厌氧下球红酮积累，与ccoP处于同一调控通路 |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 类胡萝卜素生物合成 | crtA | CrtA (球红烯-球红酮氧化酶) | 催化 | 催化球红烯(SE)向球红酮(SO)的氧化；转录水平在突变株中仅升高约60%，而SO积累大幅增加，表明转录后调控为主 |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 光合基因表达调控 | puc | B800-850光捕获复合物(LHII)结构蛋白 | 调控 | 作为报告基因，有氧条件下在rdxB/ccoP突变体中表达升高约12倍；其上游调控序列(URS)增强DRS介导的去阻遏 |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 光合基因表达调控 | puf | 反应中心和B875光捕获复合物(LHI)结构蛋白 | 调控 | 作为报告基因，有氧条件下在rdxB/ccoP突变体中表达升高约4倍 |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 细菌叶绿素生物合成 | bchF | BchF (3-乙烯基-羟化酶) | 催化 | 有氧条件下其转录活性在rdxB/ccoP突变株中基本不变（435±15和526±38 vs 427±68），排除其作为主要调控靶点 |
| Rhodobacter sphaeroides 2.4.1 | 氧化还原信号 | rdxA | RdxA (膜蛋白, 预测结合两个[4Fe-4S]簇) | 调控 | rdxB的同源物，单突变无可见表型，不能补偿rdxB缺失，功能未知 |
关键发现
- 有氧条件下，RDXB1和CCOP1的puc::lacZ活性分别达2577±214和2332±134单位，约为野生型（191±13）的12倍
- puf::lacZ活性分别达423±36和371±31单位，约为野生型（98±10）的4倍
- puc的DRS单独驱动时约4倍升高（609±41和596±16 vs 188±29）。在固氮光合生长条件下，RDXBCCOP和RDXABCOP突变株中球红烯仅占总类胡萝卜素的13%和8%，而野生型约为82%，其中RDXABCOP的SE/SO比值变化超过50倍
- 在厌氧光合条件下，RDXABCOP的SE/SO比值变化约15倍。突变株中crtA转录水平仅比野生型高约60%（2060±160和2152±224 vs 1314±66.9单位），提示球红酮积累主要受转录后调控。
研究结论
R. sphaeroides的cbb3型细胞色素氧化酶（CcoNOQP）和RdxBH（可能含RdxIS）构成一条氧化还原信号转导通路，通过影响细胞氧化还原状态或特定氧化还原中间体，在有氧条件下抑制光合基因表达，并转录后调控CrtA介导的球红烯向球红酮转化；该通路不依赖PpsR，可能与Prr和FnrL系统协同作用。