The Biosynthetic Pathway for Myxol-2' Fucoside (Myxoxanthophyll) in the 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.00050-09
- 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Synechococcus sp. PCC 7002中myxoxanthophyll（myxol-2' fucoside）生物合成途径中负责类胡萝卜素ψ末端修饰的酶和基因，并澄清此前关于slr1293和sll0254功能的争议。
研究策略
结合生物信息学与系统发育分析，通过插入失活构建基因敲除突变体，在大肠杆菌中异源表达候选基因，并利用HPLC、质谱和化学衍生化等手段鉴定类胡萝卜素产物。
研究路线图
核心内容
该研究以蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002为材料，系统鉴定了myxoxanthophyll（myxol-2' fucoside）生物合成途径中负责类胡萝卜素ψ末端修饰的关键酶。通过基因敲除、大肠杆菌异源表达以及HPLC和质谱分析，研究者首次鉴定出催化ψ端第一步水合反应的1',2'-水合酶CruF和催化最终糖基化步骤的2'-O-糖基转移酶CruG。敲除cruF导致myxol-2' fucoside完全消失，而异源表达该基因的大肠杆菌产生1-羟基番茄红素和1,1'-二羟基番茄红素；敲除cruG则导致游离myxol积累，证实了其糖基转移酶功能。同时，该研究排除了此前认为slr1293和sll0254参与该途径的错误结论。基于上述证据，提出了从番茄红素经1-羟基番茄红素、1'-羟基-γ-胡萝卜素、plectaniaxanthin和myxol到myxol-2' fucoside的完整生物合成途径。结果表明CruF和CruG同源基因存在于所有测序的产myxoxanthophyll蓝藻中，且多数形成双顺反子操纵子。这一发现不仅澄清了长期存在的基因功能争议，还为类胡萝卜素的代谢工程提供了两个新的酶工具。
创新点
首次鉴定出催化myxoxanthophyll生物合成中ψ端第一步水合反应的酶CruF和催化最终糖基化步骤的2'-O-糖基转移酶CruG；纠正了此前认为slr1293是3',4'-脱饱和酶和sll0254是双功能环化酶/加氧酶的错误结论；提出了完整的生物合成途径，并为类胡萝卜素代谢工程提供了新酶。
研究对象（9）
| 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（myxoxanthophyll分支） | cruF (SynPCC7002_A2032) | CruF | 催化 | 1',2'-水合酶，催化番茄红素ψ端加水反应，是myxoxanthophyll途径的第一个关键酶 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成（myxoxanthophyll分支） | cruG (SynPCC7002_A2031) | CruG | 催化 | 2'-O-糖基转移酶，催化2'-羟基的岩藻糖基化 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成 | cruA | CruA | 催化 | 番茄红素环化酶，形成β-紫罗兰酮环 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成 | cruP | CruP | 催化 | 第二种番茄红素环化酶 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成（zeaxanthin和myxoxanthophyll） | crtR | CrtR | 催化 | β-胡萝卜素羟化酶，负责C-3羟基化，也作用于myxoxanthophyll前体 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成（synechoxanthin） | sll0254 (cruE) | CruE | 催化 | 胡萝卜素脱饱和酶/甲基转移酶，参与芳香族类胡萝卜素synechoxanthin合成，不参与myxoxanthophyll |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | slr1293 | Slr1293 | 催化 | 推测为类胡萝卜素异构酶，但不参与myxoxanthophyll合成，敲除无影响 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成 | SynPCC7002_A1623 | Slr1293同源产物 | 催化 | slr1293在PCC 7002中的直系同源物，敲除不影响myxoxanthophyll合成 |
| Escherichia coli | 异源表达番茄红素合成 | cruF | CruF | 催化 | 在产番茄红素的大肠杆菌中表达，验证了1',2'-水合酶活性，产生1-羟基番茄红素和1,1'-二羟基番茄红素 |
关键发现
- 从Synechococcus sp. PCC 7002中纯化并鉴定出myxol-2' fucoside，分子量为730 Da。
- 敲除cruF导致myxol-2' fucoside完全消失，异源表达cruF的大肠杆菌产生1-羟基番茄红素（分子量544 Da）和1,1'-二羟基番茄红素（分子量562 Da），证明CruF为1',2'-水合酶。
- 敲除cruG导致积累游离myxol和plectaniaxanthin，证明CruG为2'-O-糖基转移酶。
- 敲除slr1293（Synechocystis sp. PCC 6803）及其同源基因SynPCC7002_A1623不影响myxoxanthophyll合成，表明两者并非3',4'-脱饱和酶。
- CruF和CruG的同源基因存在于所有测序的产myxoxanthophyll蓝藻基因组中，且多数形成双顺反子操纵子；CruG在Synechocystis sp. PCC 6803与Synechococcus sp. PCC 7002间的一致性为63%。
- 提出了从番茄红素经1-羟基番茄红素、1'-羟基-γ-胡萝卜素、plectaniaxanthin和myxol到myxol-2' fucoside的完整生物合成途径。
研究结论
本研究鉴定出cruF和cruG是myxoxanthophyll生物合成所必需的基因，分别编码1',2'-水合酶和2'-O-糖基转移酶。结合此前研究，提出了从番茄红素到myxol-2' fucoside的完整生物合成途径，并排除了slr1293和sll0254在该途径中的作用。这些新酶为类胡萝卜素的代谢工程提供了新工具，并有助于理解蓝藻中myxoxanthophyll的结构与功能。