Light-Induced Carotenogenesis in Streptomyces coelicolor A3(2): Identification of an Extracytoplasmic Function Sigma Factor That Directs Photodependent Transcription of the Carotenoid Biosynthesis Gene Cluster
- 作者
- Hideaki Takano, Saemi Obitsu, Teruhiko Beppu, Kenji Ueda
- 单位
- Life Science Research Center, College of Bioresource Sciences, Nihon University, Fujisawa, Japan
- 杂志
- Journal of Bacteriology（2005）
- DOI
- 10.1128/JB.187.5.1825-1832.2005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
天蓝色链霉菌A3(2)中光诱导类胡萝卜素生物合成的调控机制不明，尤其是负责光依赖性转录的sigma因子未被鉴定。
研究策略
通过表型观察发现蓝光诱导类胡萝卜素合成；利用基因簇分析、基因敲除/过表达、S1核酸酶保护分析、体外runoff转录实验，鉴定光诱导ECF sigma因子LitS及其调控网络。
核心内容
天蓝色链霉菌A3(2)在蓝光（400–460 nm，光强约2.4 μmol s⁻¹ m⁻²）照射下可合成类胡萝卜素（异海绵烯和β-胡萝卜素）。通过基因簇分析和敲除实验，研究者鉴定出光诱导表达的ECF sigma因子LitS，其编码基因位于类胡萝卜素基因簇（crtEIBV和crtYTU）上游的litS-litQ-litB-litR操纵子中。litS或litR突变体均完全丧失类胡萝卜素产生能力及所有光依赖启动子活性，而过表达litS则使野生型和litR突变体均能组成型合成类胡萝卜素。体外runoff转录实验证明，含纯化LitS的RNA聚合酶全酶可特异识别并转录crtE的PcrE和crtV的PcrV启动子，启动子保守序列为GCAT(G/C)–(16或17 bp)–C(G/C)(G/C)AA(G/C)。LitR为MerR家族转录调控因子，对litS和自身转录均必需，提示通过双向启动子形成正反馈调控回路。这是链霉菌中首次报道光诱导基因表达机制，揭示了光信号直接调控次级代谢物合成的全新通路。
创新点
首次报道链霉菌中光诱导基因表达；鉴定LitS为直接指导crt基因簇转录的光诱导sigma因子；发现LitR为必需的转录调控因子；揭示了litS正反馈回路。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces coelicolor A3(2) M145 | 类胡萝卜素生物合成 | crtEIBV | — | 催化 | 类胡萝卜素合成酶基因簇，缺失后完全丧失类胡萝卜素产生能力 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) M145 | 类胡萝卜素生物合成 | crtYTU | — | 催化 | 类胡萝卜素合成酶基因簇，与crtEIBV形成会聚转录 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) M145 | 光诱导调控 | litS | LitS (ECF sigma因子) | 调控 | 光诱导sigma因子，直接指导crt启动子转录；其过表达导致组成型类胡萝卜素产生 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) M145 | 光诱导调控 | litR | LitR (MerR家族转录调控因子) | 调控 | 必需的光诱导正调控因子，影响所有光依赖启动子活性；可能结合双向启动子区域 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) M145 | 光诱导调控 | litQ | LitQ (推定氧化还原酶) | 催化 | 可能参与光信号传导与LitR激活，但其失活致死 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) M145 | 光诱导调控 | litB | LitB (推定抗sigma因子) | 调控 | 与LitS形成信号转导对，但litB单独失活不影响类胡萝卜素产生 |
关键发现
- S. coelicolor A3(2)在蓝光(400-460 nm)诱导下产生类胡萝卜素(包括isorenieratene和β-胡萝卜素)，光强约2.4 μmol s^-1 m^-2
- crtEIBV缺失突变体完全丧失类胡萝卜素产生能力
- litS突变体丧失类胡萝卜素产生及PcrE、PcrV、PlitS启动子活性
- litR突变体同样丧失类胡萝卜素产生和所有光依赖启动子活性
- 过表达litS导致野生型和litR突变体组成型产生类胡萝卜素
- 体外转录证明含有纯化LitS的RNA聚合酶全酶能特异转录PcrE和PcrV
- LitS与M. xanthus CarQ有21.3%氨基酸序列同源性
- LitS依赖型启动子保守序列为GCAT(G/C)-(16或17 bp)-C(G/C)(G/C)AA(G/C)。
研究结论
σ^LitS作为光诱导ECF sigma因子直接指导类胡萝卜素生物合成基因簇的转录，其活性受LitR调控；LitR可能通过双向启动子区域激活litS和自身转录，形成正反馈回路。这是首次在链霉菌中报道光诱导基因表达机制。