Slr1293 in Synechocystis sp. Strain PCC 6803 Is the C-3',4' Desaturase (CrtD) Involved in Myxoxanthophyll Biosynthesis
- 作者
- Hatem E. Mohamed, Wim Vermaas
- 单位
- School of Life Sciences, Arizona State University, Tempe, Arizona
- 杂志
- Journal of Bacteriology（2004）
- DOI
- 10.1128/JB.186.17.5621-5628.2004
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803中由slr1293编码的蛋白功能，验证其是否为myxoxanthophyll生物合成所需的C-3',4'脱饱和酶（CrtD）。
研究策略
通过基因组相似性搜索鉴定候选基因slr1293，并在累积neurosporene或lycopene的大肠杆菌菌株中异源表达，通过HPLC和质谱分析产物；同时构建slr1293缺失突变体，分析其类胡萝卜素组成变化。
核心内容
该研究通过基因组相似性搜索和异源表达策略，鉴定了蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803中slr1293基因编码蛋白的功能。研究将slr1293在累积neurosporene或lycopene的大肠杆菌菌株中异源表达，利用HPLC和质谱分析产物，并构建slr1293缺失突变体分析其类胡萝卜素组成。结果表明Slr1293是C-3',4'脱饱和酶（CrtD），能催化neurosporene转化为3',4'-didehydroneurosporene，使吸收峰从420,441,470 nm红移至450,475,505 nm；也能催化lycopene转化为3',4'-didehydrolycopene，吸收峰从450,475,505 nm红移至466,492,527 nm。缺失突变体完全缺乏myxoxanthophyll，积累neurosporene及其糖苷衍生物。高光强下myxoxanthophyll可占野生型总类胡萝卜素的四分之一以上，但突变体中该比例显著下降，提示缺失一步脱饱和反应。该研究首次实验证明Slr1293是myxoxanthophyll生物合成的关键酶，并揭示neurosporene是该途径与其它类胡萝卜素生物合成的分支点，为理解蓝藻类胡萝卜素代谢网络提供了分子基础。
创新点
首次实验证明Slr1293是C-3',4'脱饱和酶（CrtD），是myxoxanthophyll生物合成的关键酶；揭示neurosporene是myxoxanthophyll与其它类胡萝卜素生物合成途径的分支点分子。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 (野生型) | 类胡萝卜素生物合成 | slr1293 | Slr1293 | 催化 | 编码C-3',4'脱饱和酶（CrtD），参与myxoxanthophyll生物合成，催化neurosporene的C-3',4'脱饱和 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (Δslr1293突变体) | 类胡萝卜素生物合成 | slr1293 | Slr1293 | 催化 | 缺失slr1293导致myxoxanthophyll合成缺失，积累neurosporene及其糖苷，证明其为myxoxanthophyll合成必需 |
| Escherichia coli (BL21, JM109, DH5α) | 类胡萝卜素生物合成 | slr1293 | Slr1293 | 催化 | 异源表达验证其对neurosporene和lycopene的C-3',4'脱饱和活性，产生3',4'-didehydroneurosporene和3',4'-didehydrolycopene |
| Escherichia coli (BL21, JM109, DH5α) | 类胡萝卜素生物合成 | pAC-Neur/pAC-Lyc载体上的类胡萝卜素合成基因簇 | CrtB, CrtI等 | 催化 | 用于积累neurosporene或lycopene，作为Slr1293的底物来源 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | sll0033 | CrtH | 催化 | 类胡萝卜素异构酶，可能参与提供Slr1293所需底物异构体，与Slr1293功能相关（文中讨论） |
关键发现
- 在高光强下，myxoxanthophyll占Synechocystis sp. PCC 6803总类胡萝卜素的四分之一以上。
- Slr1293与已知CrtD有19%氨基酸一致性，与海洋细菌P99-3的CrtD有20%一致性；其直系同源物在已测序蓝藻中具有47-67%的一致性。
- 在E. coli中，Slr1293能使neurosporene转化为3',4'-didehydroneurosporene（λmax=450,475,505 nm，相比neurosporene的420,441,470 nm），使lycopene转化为3',4'-didehydrolycopene（λmax=466,492,527 nm，相比lycopene的450,475,505 nm）。
- slr1293缺失突变体缺乏myxoxanthophyll，积累neurosporene及其糖苷（m/z 586和588的含氧衍生物以及m/z 737的neurosporene fucoside）。
- 在高光强下突变体合成m/z 746和760的类胡萝卜素糖苷，表明缺失一步脱饱和（-2H）反应。
- 野生型中检测到具有12个共轭双键的中间体，而突变体中缺乏该中间体。
研究结论
Slr1293是Synechocystis sp. PCC 6803中myxoxanthophyll生物合成所必需的C-3',4'脱饱和酶（CrtD），其作用底物为neurosporene，催化myxoxanthophyll生物合成的第一个决定性步骤。