Substrate Specificities and Availability of Fucosyltransferase and β-Carotene Hydroxylase for Myxol 2′-Fucoside Synthesis in Anabaena sp. Strain PCC 7120 Compared with Synechocystis sp. Strain PCC 6803
- 作者
- Mari Mochimaru, Hajime Masukawa, Takashi Maoka, Hatem E. Mohamed, Wim F. J. Vermaas, Shinichi Takaichi
- 单位
- Department of Natural Sciences, Komazawa University, Tokyo 154-8525, Japan; Department of Biological Sciences, Kanagawa University, Hiratsuka 259-1293, Japan; Research Institute for Production Development, Kyoto 606-0805, Japan; School of Life Sciences, Arizona State University, P.O. Box 874501, Tempe, Arizona 85285-4501; Department of Biology, Nippon Medical School, Kawasaki 211-0063, Japan
- 杂志
- Journal of Bacteriology（2008）
- DOI
- 10.1128/JB.01881-07
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
比较蓝藻 Anabaena sp. PCC 7120 与 Synechocystis sp. PCC 6803 中岩藻糖基转移酶和β-胡萝卜素羟化酶在 myxol 2'-岩藻糖苷合成中的底物特异性，阐明类胡萝卜素生物合成途径的种间差异。
研究策略
构建 wcaG、crtR 和 crtD 同源基因的缺失突变体，利用 HPLC、质谱和核磁共振鉴定突变体中的类胡萝卜素组成，比较两种蓝藻的代谢差异。
核心内容
该研究通过构建wcaG、crtR和crtD同源基因的缺失突变体，比较了Anabaena sp. PCC 7120与Synechocystis sp. PCC 6803在myxol 2′-岩藻糖苷合成中岩藻糖基转移酶和β-胡萝卜素羟化酶的底物特异性。利用HPLC、质谱和核磁共振鉴定突变体类胡萝卜素组成后发现，Anabaena的岩藻糖基转移酶可接受GDP-鼠李糖作为替代底物，在wcaG突变体中产生myxol 2′-鼠李糖苷（占总类胡萝卜素5%）及4-酮基和脱氧衍生物，而Synechocystis的对应酶则无此能力。Anabaena的CrtR不催化β-胡萝卜素羟基化，其crtR突变体中β-胡萝卜素累积至48%而玉米黄质低于1%，但该酶仍可催化脱氧myxol羟基化。此外，研究鉴定出新化合物4-酮基脱氧myxol 2′-岩藻糖苷。两种蓝藻WcaG和CrtR的氨基酸序列一致性分别为79%和68%。这些底物特异性差异解释了两种蓝藻类胡萝卜素组成的种间差异，完善了Anabaena的类胡萝卜素合成途径。
创新点
发现 Anabaena 的岩藻糖基转移酶可利用 GDP-鼠李糖替代 GDP-岩藻糖生成鼠李糖苷；Anabaena 的 CrtR 不能催化β-胡萝卜素羟基化，但可催化脱氧 myxol 羟基化；鉴定出新化合物 4-酮基脱氧 myxol 2'-岩藻糖苷。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Anabaena sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素生物合成 | all4826 (wcaG) | WcaG (GDP-岩藻糖合酶) | 催化 | 缺失突变体产生 myxol 2'-鼠李糖苷 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | sll1213 (wcaG) | WcaG (GDP-岩藻糖合酶) | 催化 | 缺失突变体积累游离 myxol |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素生物合成 | alr4009 (crtR) | CrtR (β-胡萝卜素羟化酶) | 催化 | 缺失突变体积累脱氧 myxol 2'-岩藻糖苷和 4-酮基脱氧 myxol 2'-岩藻糖苷；不能催化β-胡萝卜素 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | sll1468 (crtR) | CrtR (β-胡萝卜素羟化酶) | 催化 | 可催化β-胡萝卜素生成玉米黄质 |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素生物合成 | all5123 (crtD 同源) | CrtD（甲氧基神经孢烯去饱和酶） | 催化 | 缺失突变体未影响类胡萝卜素组成，可能功能冗余 |
关键发现
- Anabaena wcaG 缺失突变体中，myxol 2'-鼠李糖苷占5%，4-酮基 myxol 2'-鼠李糖苷占2%，脱氧 myxol 2'-鼠李糖苷占1%，游离 myxol 占3%
- 野生型中 myxol 2'-岩藻糖苷占7%，4-酮基 myxol 2'-岩藻糖苷占12%。Anabaena crtR 缺失突变体中，脱氧 myxol 2'-岩藻糖苷占10%，4-酮基脱氧 myxol 2'-岩藻糖苷占5%，β-胡萝卜素占48%，玉米黄质低于1%。Synechocystis wcaG 缺失突变体中产生游离 myxol（相对分子质量584）。Anabaena 和 Synechocystis 的 WcaG 氨基酸序列一致性为79%，Anabaena WcaG 与 E. coli 的一致性为35%
- CrtR 一致性为68%。wcaG 突变体中 myxol 及其衍生物总量约为野生型的60%。4-酮基脱氧 myxol 2'-岩藻糖苷为新化合物。
研究结论
在 Anabaena sp. PCC 7120 中，岩藻糖基转移酶可以接受 GDP-鼠李糖作为替代底物，而 Synechocystis sp. PCC 6803 则不能；Anabaena 的 CrtR 底物特异性不同于 Synechocystis，前者不催化β-胡萝卜素羟基化。这些差异导致两种蓝藻类胡萝卜素组成不同，并完善了 Anabaena 的类胡萝卜素合成途径。