Carotenoid biosynthesis in microorganisms and plants
- 作者
- Gerhard SANDMANN
- 单位
- Botanisches Institut, FB Biologie, J. W. Goethe Universität, Frankfurt, Germany
- 杂志
- European Journal of Biochemistry（1994）
- DOI
- 10.1111/j.1432-1033.1994.tb18961.x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统阐述微生物和植物中类胡萝卜素生物合成途径的酶学、分子遗传学及调控机制
研究策略
综述类胡萝卜素生物合成的体外系统、基因克隆策略、关键酶的功能与进化关系
核心内容
该综述系统整合了生物化学与分子遗传学方法，对微生物和植物中类胡萝卜素生物合成途径的关键酶、基因克隆策略及调控机制进行了全面阐述。研究重点揭示了八氢番茄红素脱饱和酶存在三种功能类型：Synechococcus的pds仅催化2步脱氢生成ζ-胡萝卜素，Rhodobacter的crtI催化3步生成神经孢子烯，而Erwinia的crtI可催化4步生成番茄红素，甚至进行6步脱氢。氨基酸序列比较表明，pds型酶在不同生物中一致性超过65%，而crtI型中Erwinia与Rhodobacter仅41%一致，反映出两类酶在进化上的分化。研究还鉴定了辣椒中多个关键酶的特性，包括分子量37 kDa的GGPP合酶二聚体和56 kDa的八氢番茄红素脱饱和酶。在基因表达调控方面，番茄psy1基因在果实成熟期转录水平提高20倍以上，而利用反义RNA抑制pTOM5表达可导致果实变黄并阻断GGPP向八氢番茄红素的转化。这些发现不仅厘清了不同生物类胡萝卜素合成途径的酶学差异与进化关系，也为通过基因工程生产类胡萝卜素及开发抗除草剂转基因植物奠定了基础。
创新点
整合生物化学与分子遗传学方法，揭示不同生物中八氢番茄红素脱饱和酶的功能类型差异及进化关系，提出基因克隆的多种策略
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter capsulatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | GGPP合酶 | 催化 | 基因克隆自该菌 |
| Erwinia uredovora | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | — |
| Synechococcus | 类胡萝卜素生物合成 | pds | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化2步脱氢，产生ζ-胡萝卜素 |
| Rhodobacter capsulatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化3步脱氢，产生神经孢子烯 |
| Erwinia uredovora | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 催化4步脱氢，产生番茄红素 |
| Capsicum annuum | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | GGPP合酶 | 催化 | 纯化蛋白，二聚体，亚基37kDa |
| Capsicum annuum | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 纯化蛋白，47.5kDa |
| Capsicum annuum | 类胡萝卜素生物合成 | pds | 八氢番茄红素脱饱和酶 | 催化 | 纯化蛋白，56kDa |
| Anabaena | 类胡萝卜素生物合成 | zds | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素脱氢，与crtI型脱饱和酶相似 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | psy1 | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 果实成熟表达上调20倍以上 |
| Rhodobacter capsulatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtJ | — | 调控 | 调控基因，突变导致无类胡萝卜素 |
| Rhodobacter capsulatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtA | 螺菌黄质酮醇酶 | 催化 | 在C2引入酮基 |
| Erwinia uredovora | 类胡萝卜素生物合成 | crtY | 番茄红素环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| Erwinia uredovora | 类胡萝卜素生物合成 | crtZ | β-胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 催化β-胡萝卜素羟基化生成玉米黄质 |
关键发现
- 八氢番茄红素脱饱和酶存在三种功能类型：Synechococcus的pds催化2步脱氢生成ζ-胡萝卜素，Rhodobacter的crtI催化3步生成神经孢子烯，Erwinia的crtI催化4步生成番茄红素（甚至可生成6步脱氢的双脱氢番茄红素）。
- 纯化的辣椒GGPP合酶为二聚体，亚基分子量37 kDa；八氢番茄红素合酶分子量47.5 kDa；辣椒八氢番茄红素脱饱和酶分子量56 kDa。
- 番茄psy1基因在果实成熟期间转录水平增加20倍以上，花发育期间增加10倍以上。
- pds型八氢番茄红素脱饱和酶氨基酸一致性>65%，而crtI型中Erwinia与Rhodobacter一致性41%，与Neurospora为31%。
- 番茄pTOM5反义RNA导致果实变黄，且GGPP→八氢番茄红素转化受损。
研究结论
分子遗传学与生物化学方法的结合极大地推动了类胡萝卜素生物合成研究，克隆了多个关键基因，阐明了不同酶的功能差异和进化关系，并为生物技术生产类胡萝卜素和抗除草剂转基因植物奠定了基础。