The Biosynthetic Pathway for Synechoxanthin, an Aromatic Carotenoid Synthesized by the Euryhaline, Unicellular Cyanobacterium Synechococcus sp. Strain PCC 7002
- 作者
- Joel E. Graham, Donald A. Bryant
- 单位
- Department of Biochemistry and Molecular Biology, The Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania 16802
- 杂志
- Journal of Bacteriology（2009）
- DOI
- 10.1128/JB.00985-08
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明Synechococcus sp. PCC 7002中芳香族类胡萝卜素synechoxanthin的生物合成途径，并鉴定参与该途径的关键基因（cruE和cruH）及其功能。
研究策略
利用比较基因组学和系统发育谱分析鉴定候选基因；通过插入失活构建cruE和cruH突变株；结合HPLC、质谱及化学衍生化分析中间产物，从而推导并验证完整的生物合成途径。
研究路线图
核心内容
该研究通过比较基因组学与系统发育谱分析，在广盐性单细胞蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002中鉴定了芳香族类胡萝卜素synechoxanthin生物合成途径的关键基因cruE和cruH，并利用插入失活构建突变株，结合HPLC、质谱及化学衍生化分析中间产物，完整推导了该合成途径。研究发现cruE突变株完全不产生synechoxanthin及其中间体，而cruH突变株则积累renierapurpurin，表明CruE负责将β-胡萝卜素依次转化为β,χ-胡萝卜素和renierapurpurin，CruH则催化renierapurpurin C-18甲基的羟基化及进一步氧化生成羧酸。Synechoxanthin在该菌中占总类胡萝卜素的15%以上，且该途径广泛存在于多种蓝藻中。该研究首次在蓝藻中验证了CrtU同源物CruE的功能，并鉴定CruH为新型氧化酶，揭示了从β-胡萝卜素经renierapurpurin到synechoxanthin的完整生物合成路线，为理解芳香族类胡萝卜素的生物合成机制及蓝藻细胞保护功能提供了分子基础。
创新点
首次在蓝藻中验证CrtU同源物CruE（β-胡萝卜素去饱和酶/甲基转移酶）参与芳香族类胡萝卜素合成；发现并鉴定了CruH为作用于χ-环C-18甲基的氧化酶；提出了从β-胡萝卜素经renierapurpurin到synechoxanthin的完整生物合成途径。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成（synechoxanthin途径） | cruE (SYNPCC7002_A1248) | CruE (β-胡萝卜素去饱和酶/甲基转移酶) | 催化 | 将β-胡萝卜素转化为renierapurpurin，催化β环芳香化为χ环 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成（synechoxanthin途径） | cruH (SYNPCC7002_A2246) | CruH (苯丙酸双加氧酶家族蛋白) | 催化 | 催化renierapurpurin C-18和C-18'甲基的羟基化/氧化，突变株积累renierapurpurin |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成（synechoxanthin途径） | cruE (sll0254) | CruE | 催化 | 该基因突变导致synechoxanthin缺失，证实其功能与PCC 7002中同源基因一致 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成（synechoxanthin途径） | cruH (sll1869) | CruH | 催化 | 与Synechococcus sp. PCC 7002的CruH有63%同一性，推测具有相同的羟基化/氧化功能 |
关键发现
- Synechococcus sp. PCC 7002中synechoxanthin是主要类胡萝卜素，占总类胡萝卜素的15%以上
- cruE（SYNPCC7002_A1248）突变后完全不产生synechoxanthin及其中间体，但其他类胡萝卜素正常，生长速率与野生型无差异
- cruH（SYNPCC7002_A2246）突变后积累renierapurpurin而不产生synechoxanthin。通过HPLC-MS和化学衍生化鉴定中间体：I1为18'-羟基-χ,χ-胡萝卜素-18-酸（分子量574 Da），I2为χ,χ-胡萝卜素-18-酸（分子量558 Da），I3为18-羟基-renierapurpurin，I4为β,χ-胡萝卜素
- renierapurpurin在HPLC上约42 min出峰，比β-胡萝卜素早约4 min。在Synechocystis sp. PCC 6803中也成功获得sll0254/cruE的完全分离突变体（使用无极性效应的aadA片段），证实该基因参与芳香化。在多种蓝藻（Nostoc sp. MAC、Nostoc sp. PCC 7120、Synechococcus sp. C9、Synechocystis sp. PCC 6308等）中检测到synechoxanthin
- Anabaena variabilis ATCC 29413和Nostoc sp. PCC 7120在近稳定期大量积累synechoxanthin。
研究结论
通过基因突变和中间产物分析，阐明了Synechococcus sp. PCC 7002中synechoxanthin的生物合成途径：CruE将β-胡萝卜素依次转化为β,χ-胡萝卜素和renierapurpurin（χ,χ-胡萝卜素），CruH负责renierapurpurin C-18和C-18'甲基的羟基化/氧化，随后经醛或直接氧化生成羧酸，最终形成synechoxanthin。该途径广泛存在于多种蓝藻中，synechoxanthin可能在细胞壁/外膜中起保护作用，且其分泌可能解释海洋海绵中芳香族类胡萝卜素的来源。