Complete Biosynthetic Pathway of the C50 Carotenoid Bacterioruberin from Lycopene in the Extremely Halophilic Archaeon Haloarcula japonica

作者: Ying Yang, Rie Yatsunami, Ai Ando, Nobuhiro Miyoko, Toshiaki Fukui, Shinichi Takaichi, Satoshi Nakamura
单位: Department of Bioengineering, Tokyo Institute of Technology, Midori-ku, Yokohama, Japan; Department of Biology, Nippon Medical School, Musashino, Tokyo, Japan
杂志: Journal of Bacteriology（2015）
DOI: 10.1128/JB.02523-14
所属领域: 代谢工程
关键词: C50类胡萝卜素CrtDCruF嗜盐古菌生物合成途径细菌红素
阅读原文: 查看 PDF 原文

解决的核心问题

阐明极端嗜盐古菌 Haloarcula japonica 中 C50 类胡萝卜素细菌红素（bacterioruberin）从番茄红素（lycopene）合成的完整生物合成途径，并鉴定关键酶的功能。

研究策略

通过同源分析预测候选基因，利用同源重组构建 c0507、c0506、c0505 基因敲除突变株，通过 HPLC 和质谱分析突变株的类胡萝卜素组成，并通过体内回补实验验证基因功能。

研究路线图

100%

下载 .drawio 源文件

核心内容

该研究以极端嗜盐古菌Haloarcula japonica为对象，通过同源分析预测候选基因，利用同源重组构建了c0507、c0506和c0505三个基因的敲除突变株，并结合HPLC和质谱分析突变株的类胡萝卜素组成，同时通过体内回补实验验证基因功能。结果显示，Δc0506突变株仅积累番茄红素（m/z 536），表明c0506编码双功能番茄红素延长酶/1,2-水合酶（LyeJ）；Δc0507突变株主要积累TH-BABR（m/z 708）和DH-IDR（m/z 622），证实c0507编码类胡萝卜素3,4-脱饱和酶（CrtD）；Δc0505突变株仅积累细菌红素前体BABR（m/z 704），说明c0505编码C50类胡萝卜素2'',3''-水合酶（CruF）。回补实验证明三个基因可共同恢复细菌红素（BR，m/z 740）的合成。这是首次在古菌中鉴定出功能性CrtD和CruF，并完整阐明了从番茄红素到BR的合成途径，为嗜盐古菌类胡萝卜素生物合成研究及通过遗传改造高效生产C50类胡萝卜素奠定了基础。

创新点

首次在古菌中鉴定功能性类胡萝卜素 3,4-脱饱和酶（CrtD）和 C50 类胡萝卜素 2'',3''-水合酶（CruF），并阐明从番茄红素到细菌红素的完整生物合成途径。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Haloarcula japonica	类胡萝卜素生物合成途径	c0507	CrtD（类胡萝卜素3,4-脱饱和酶）	催化	催化 DH-IDR 的 C-3,4 位和 DH-BABR 的 C-3',4' 位脱氢形成双键；首次在古菌中鉴定功能性 CrtD
Haloarcula japonica	类胡萝卜素生物合成途径	c0506	LyeJ（双功能番茄红素延长酶/1,2-水合酶）	催化	在番茄红素末端引入 C5 异戊二烯单元并水合生成 DH-IDR；与 Hb. salinarum Lye 同源
Haloarcula japonica	类胡萝卜素生物合成途径	c0505	CruF（C50类胡萝卜素2'',3''-水合酶）	催化	催化 BABR 的 C-2'',3'' 和 C-2''',3''' 位水合生成BR；首次在古菌中鉴定功能性 CruF

关键发现

Δc0506 突变株仅积累番茄红素（保留时间19.4 min，λmax 443/469/500 nm，m/z 536），说明 c0506 编码双功能番茄红素延长酶/1,2-水合酶（LyeJ）
Δc0507 突变株主要积累 TH-BABR（m/z 708）和 DH-IDR（m/z 622），说明 c0507 编码类胡萝卜素3,4-脱饱和酶（CrtD）
Δc0505 突变株仅积累 BABR（保留时间13.7 min，λmax 468/491/523 nm，m/z 704），说明 c0505 编码 C50 类胡萝卜素2'',3''-水合酶（CruF）。回补实验证明三个基因可恢复细菌红素（BR，m/z 740）合成。这是首次在古菌中鉴定功能性 CrtD 和 CruF，并阐明从番茄红素到 BR 的完整生物合成途径。

研究结论

在 Ha. japonica 中鉴定出三个参与细菌红素生物合成的酶，揭示了从番茄红素合成 BR 的完整途径，为在其他极端嗜盐古菌中研究类胡萝卜素生物合成提供了基础，并可能通过遗传改造嗜盐古菌高效生产 C50 类胡萝卜素 BR。