Carotenoids of Gemmatimonas aurantiaca (Gemmatimonadetes): identification of a novel carotenoid, deoxyscillor 2-rhamnoside, and proposed biosynthetic pathway of oscillol 2,2'-dirhamnoside
- 作者
- Shinichi Takaichi, Takashi Maoka, Kazuto Takasaki, Satoshi Hanada
- 单位
- Department of Biology, Nippon Medical School; Research Institute for Production Development; Institute for Biological Resources and Functions, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
- 杂志
- Microbiology（2010）
- DOI
- 10.1099/mic.0.034249-0
- 所属领域
- 微生物学
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定 Gemmatimonas aurantiaca 中的类胡萝卜素及其糖苷衍生物，并基于基因组信息提出其生物合成途径。
研究策略
通过培养细菌、提取纯化类胡萝卜素，利用高效液相色谱、质谱、核磁共振和圆二色谱等光谱学方法确定结构，并结合基因组序列比对寻找相关同源基因，提出生物合成途径。
核心内容
本研究以罕见细菌 Gemmatimonas aurantiaca 为对象，通过培养、提取并结合高效液相色谱、质谱、核磁共振和圆二色谱等光谱学手段，鉴定了其中的三类类胡萝卜素及其糖苷衍生物。结果显示主要成分为 (2S,2'S)-oscillol 2,2'-二-(α-L-鼠李糖苷)，占总量的88%，次要成分为新发现的 (2S)-deoxyscillor 2-鼠李糖苷（占9%）和 didemethylspirilloxanthin（占3%），三者的分子量分别为892、730和568。这是首次在蓝藻以外的细菌门中鉴定出 oscillol 2,2'-二鼠李糖苷，并发现了一个此前未知的类胡萝卜素化合物。基于基因组序列比对，研究还发现了 DXP 途径的 dxs、dxr、ispD 等基因及 crtE、crtB、crtI、cruF、cruG 等类胡萝卜素合成相关基因，但未发现甲羟戊酸途径基因。据此提出了从异戊烯基焦磷酸经非甲羟戊酸途径合成 oscillol 二鼠李糖苷的完整生物合成路线。该结果表明 oscillol 类化合物的生物合成能力在细菌中分布极有限，其起源可能十分古老，为理解类胡萝卜素糖苷在细菌中的进化与分布提供了新线索。
创新点
1. 发现新类胡萝卜素 (2S)-deoxyscillor 2-rhamnoside；2. 首次在蓝藻以外的细菌门（Gemmatimonadetes）中鉴定出 oscillol 2,2'-dirhamnoside；3. 基于基因组分析提出了从异戊烯基焦磷酸到振荡醇二鼠李糖苷的生物合成途径及相关基因。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Gemmatimonas aurantiaca | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | Geranylgeranyl pyrophosphate synthase | 催化 | 催化异戊烯基焦磷酸/法尼基焦磷酸生成香叶基香叶基焦磷酸 |
| Gemmatimonas aurantiaca | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | Phytoene synthase | 催化 | 催化两分子香叶基香叶基焦磷酸缩合生成八氢番茄红素 |
| Gemmatimonas aurantiaca | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | Phytoene desaturase | 催化 | 催化八氢番茄红素逐步脱氢生成番茄红素 |
| Gemmatimonas aurantiaca | 类胡萝卜素生物合成 | cruF | Carotenoid 1,2-hydratase | 催化 | 催化番茄红素末端1,2位加水合 |
| Gemmatimonas aurantiaca | 类胡萝卜素生物合成 | cruG | Carotenoid 2-O-rhamnosyltransferase | 催化 | 催化2-羟基类胡萝卜素的2-O-鼠李糖基化 |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | dxs | 1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 催化丙酮酸和甘油醛-3-磷酸缩合生成DXP |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | dxr | 1-Deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 催化DXP还原重排为MEP |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | ispD | 2-C-Methyl-D-erythritol-4-phosphate cytidylyltransferase | 催化 | 催化MEP与CTP缩合生成CDP-ME |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | ispE | 4-Diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol kinase | 催化 | 催化CDP-ME磷酸化生成CDP-MEP |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | ispF | 2-C-Methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase | 催化 | 催化CDP-MEP环化生成MEcPP |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | ispG | 4-Hydroxy-3-methyl-2-butynyl-1-diphosphate synthase | 催化 | 催化MEcPP还原开环生成HMBPP |
| Gemmatimonas aurantiaca | 异戊烯基焦磷酸生物合成（DXP途径） | ispH | 4-Hydroxy-3-methyl-2-butynyl 2-diphosphate reductase | 催化 | 催化HMBPP还原生成IPP和DMAPP |
关键发现
- 共分离出3种类胡萝卜素，其中主要成分为 (2S,2'S)-oscillol 2,2'-二-(α-L-鼠李糖苷)，占总量的88%
- 次要成分为 (2S)-deoxyscillor 2-鼠李糖苷（新化合物）占9%和 didemethylspirilloxanthin 占3%。三者分子量分别为892、730和568。通过HPLC、MS、CD和NMR确定了结构。基因组分析发现了 crtE、crtB、crtI、cruF、cruG 等类胡萝卜素合成基因，以及 DXP 途径的 dxs、dxr、ispD、ispE、ispF、ispG、ispH 基因，未发现甲羟戊酸途径基因。
研究结论
本研究首次在 Gemmatimonadetes 门中鉴定出 oscillol 2,2'-二鼠李糖苷，并发现新类胡萝卜素 deoxyscillor 2-鼠李糖苷。基于结构和基因组分析，提出了从 IPP 经非甲羟戊酸途径合成类胡萝卜素的生物合成途径，相关基因包括 crtE、crtB、crtI、cruF、cruG。研究还表明 oscillol 的生物合成能力在细菌中分布极有限，其起源非常古老。