RegA Control of Bacteriochlorophyll and Carotenoid Synthesis in Rhodobacter capsulatus

作者: Jonathan Willett, James L. Smart, Carl E. Bauer
单位: Department of Biology, Indiana University, Bloomington, Indiana 47405; Department of Biology, University of Tennessee at Martin, Martin, Tennessee 38237
杂志: Journal of Bacteriology（2007）
DOI: 10.1128/JB.00853-07
所属领域: 代谢工程
关键词: RegARhodobacter capsulatusbacteriochlorophyllcarotenoidphotosynthesis gene regulationtwo-component system
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解决的核心问题

确定 RegA 是否直接调控 Rhodobacter capsulatus 中细菌叶绿素和类胡萝卜素合成基因表达，并鉴定其结合位点。

研究策略

利用 β-半乳糖苷酶报告基因检测 RegA 失活对 bchE、bchD、crtI 启动子转录的影响；通过引物延伸定位 bchE 转录起始位点；用 DNase I 足迹法鉴定 RegA 在 bchE、crtA-crtI 启动子区域的结合位点。

研究路线图

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核心内容

该研究以荚膜红细菌为对象，旨在明确双组分调控系统RegA是否直接调控细菌叶绿素与类胡萝卜素合成基因，并鉴定其结合位点。通过β-半乳糖苷酶报告基因检测发现，bchE启动子在野生型中厌氧诱导表达比好氧高4–5倍，bchD和crtI分别约3倍和2倍，而regA突变株中均丧失诱导，表明RegA为厌氧激活所必需。引物延伸定位了bchE的3个转录起始位点，分别位于起始密码子上游31、38和43 bp。DNase I足迹分析显示，RegA在bchE启动子区结合3个位点，并在crtA-crtI间隔区结合单个位点，该位点距两侧基因转录起始位点各37 bp和35 bp，提示RegA可通过单一位点协同调控双向转录的两个操纵子。研究还证实RegA直接调控bchE、bchD、crtI、crtA等十余个光合色素合成基因。上述结果首次从体内遗传与体外生化层面证明RegA通过直接结合启动子区域，在转录水平协调光合色素合成与光合蛋白表达，确立其为光合色素合成的关键调控因子。

创新点

首次提供体内遗传与体外生化证据证明 RegA 直接结合 bchE、crtA/crtI 启动子区域，调控细菌叶绿素和类胡萝卜素合成；发现 RegA 通过结合 crtA-crtI 间隔区单个结合位点协同调控两个双向转录的操纵子。

研究对象（11）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Rhodobacter capsulatus	双组分调控系统	regA	RegA	调控	响应调控因子，直接结合 bchE、crtA、crtI 启动子区
Rhodobacter capsulatus	双组分调控系统	regB	RegB	调控	传感器激酶，与 RegA 组成双组分系统
Rhodobacter capsulatus	细菌叶绿素生物合成	bchE	BchE	催化	Mg-原卟啉IX单甲基酯氧化环化酶，RegA 直接调控，厌氧诱导4-5倍
Rhodobacter capsulatus	细菌叶绿素生物合成	bchD	BchD	催化	Mg-螯合酶亚基，RegA 直接调控，厌氧诱导约3倍
Rhodobacter capsulatus	细菌叶绿素生物合成	bchI	BchI	催化	Mg-螯合酶亚基，RegA 直接调控
Rhodobacter capsulatus	细菌叶绿素生物合成	bchG	BchG	催化	细菌叶绿素合成酶，RegA 直接调控
Rhodobacter capsulatus	细菌叶绿素生物合成	bchP	BchP	催化	香叶基香叶基还原酶，RegA 直接调控
Rhodobacter capsulatus	类胡萝卜素生物合成	crtA	CrtA	催化	螺菌黄质单加氧酶，与 crtI 共享启动子区，RegA 结合位点距 crtA 转录起始位点37 bp
Rhodobacter capsulatus	类胡萝卜素生物合成	crtI	CrtI	催化	八氢番茄红素脱氢酶，RegA 直接调控，厌氧诱导约2倍
Rhodobacter capsulatus	类胡萝卜素生物合成	crtB	CrtB	催化	八氢番茄红素合成酶，RegA 直接调控
Rhodobacter capsulatus	异戊二烯生物合成	idi	Idi	催化	异戊烯基二磷酸异构酶，位于 bchEJG-orf428-bchP-idi 操纵子中

关键发现

bchE::lacZ 在野生型 SB1003 中厌氧诱导表达比好氧高 4-5 倍，regA 突变株 MS01 中无厌氧诱导
bchD::lacZ 厌氧诱导约 3 倍，crtI::lacZ 约 2 倍，regA 突变株中均无诱导。引物延伸显示 bchE 有 3 个转录起始位点，位于起始密码子上游 31、38、43 bp。DNase I 足迹分析表明 RegA* 在 bchE 启动子区有 3 个结合位点（顶链 -148~-121、-86~-62、-52~-29
底链 -145~-122、-75~-48、-38~-14），在 crtA-crtI 间隔区有 1 个结合位点，距 crtA 转录起始位点 37 bp、距 crtI 35 bp。RegA 直接调控 bchE、bchD、bchI、bchG、bchP、crtI、crtB、crtA 等基因表达。

研究结论

RegA 通过直接结合启动子区域厌氧诱导细菌叶绿素和类胡萝卜素合成基因的表达，在转录水平协调光合色素合成与光合蛋白表达，该双组分系统是光合色素合成的关键调控因子。