高级醇 · 代谢工程文献库

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Identification of a Gene Required for cis-to-trans Carotene Isomerization in Carotenogenesis of the Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

作者
Kazumori Masamoto, Hajime Wada, Takakazu Kaneko, Shinichi Takaichi
单位
Biological Laboratory, Faculty of Education, Kumamoto University, Kumamoto, 860-8555 Japan; Department of Biology, Faculty of Sciences, Kyushu University, Roppomatsu, Fukuoka, 810-8560 Japan; Kazusa DNA Research Institute, Kisarazu, Chiba, 292-0812 Japan; Biological Laboratory, Nippon Medical School, Kawasaki, 211-0063 Japan
杂志
Plant and Cell Physiology（2001）
DOI
10.1093/pcp/pce167
所属领域
代谢工程
关键词
Carotene isomeraseCyanobacteriaPhotoisomerizationSynechocystis sp. PCC 6803cis-LycopenecrtH
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解决的核心问题

在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中，基因sll0033的功能此前未知，该基因被推测可能参与类胡萝卜素合成中顺式到反式异构化，但缺乏直接证据。

研究策略

通过破坏sll0033基因构建crtH突变体，比较突变体与野生型在光自养、光混养和光激活异养条件下的类胡萝卜素组成，并检测光照对顺式类胡萝卜素的光异构化作用。

研究路线图

100%
基因sll0033功能未知：
是否参与类胡萝卜素顺反异构化？
构建 crtH 基因敲除突变体
比较不同营养条件下类胡萝卜素组成
破坏 sll0033 基因
（构建 ΔcrtH 突变株）
光自养 / 光混养 /
光激活异养（LAHG）条件下分析
突变体积累顺式番茄红素（72%）、
顺式神经孢烯（15%）；光照20 min
可逆转此过程
sll0033 编码 CrtH，
黑暗中行使 cis-to-trans 异构化；
光照可替代。功能在蓝藻/植物中保守。
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核心内容

该研究通过基因破坏策略，在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中鉴定了sll0033基因的功能。研究者构建了crtH突变体，在光自养、光混养及光激活异养条件下比较突变体与野生型的类胡萝卜素组成，并检测光照对顺式异构体的影响。结果显示，在光激活异养条件下，突变体积累的顺式番茄红素异构体占总类胡萝卜素的约72%，顺式神经孢烯占15%，而全反式ζ-胡萝卜素仅占10%；光照20分钟可完全消除顺式异构体并伴随全反式番茄红素增加。同源比对表明CrtH蛋白与多种蓝藻和拟南芥的异构酶具有48%至74%的序列一致性。该研究首次证明sll0033编码cis-to-trans类胡萝卜素异构酶CrtH，在黑暗中催化顺式类胡萝卜素向全反式形式转化，而光照可通过光异构化完成相同功能。这一发现揭示了类胡萝卜素合成中异构化步骤的酶学机制，且该功能在蓝藻与高等植物中可能保守，为类胡萝卜素代谢工程改造提供了新的靶点。

创新点

首次鉴定出sll0033基因编码cis-to-trans类胡萝卜素异构酶CrtH，证明其在黑暗中催化顺式类胡萝卜素向全反式形式转化，而光照可以通过光异构化完成相同转化。

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Synechocystis sp. PCC 6803 类胡萝卜素生物合成途径 sll0033 CrtH 催化 cis-to-trans类胡萝卜素异构酶，在黑暗中催化顺式类胡萝卜素转化为全反式形式
Synechocystis sp. PCC 6803 类胡萝卜素生物合成途径 slr1254 CrtP 催化 八氢番茄红素脱氢酶，催化15-顺式八氢番茄红素生成顺式ζ-胡萝卜素
Synechocystis sp. PCC 6803 类胡萝卜素生物合成途径 slr0940 CrtQ-2 催化 ζ-胡萝卜素脱氢酶，催化反式ζ-胡萝卜素生成顺式神经孢烯和顺式番茄红素
Synechocystis sp. PCC 6803 类胡萝卜素生物合成途径 slr0088 CrtO 催化 β-胡萝卜素酮醇酶，参与合成海胆酮

关键发现

  1. 在LAHG条件下，crtH突变体积累的类胡萝卜素中，顺式番茄红素异构体占总类胡萝卜素的约72%（10%+60%+2%），顺式神经孢烯占15%，全反式ζ-胡萝卜素占10%
  2. 光照20分钟可使顺式异构体消失并伴随全反式番茄红素增加。同源比对显示CrtH与Nostoc punctiforme ATCC 29133的一致性为74%，与Anabaena sp. PCC 7120为70%，与Synechococcus sp. WH8102为68%，与Prochlorococcus marinus MED4为58%，与拟南芥（AAF63149.1）为48%。

研究结论

sll0033基因编码一种cis-to-trans类胡萝卜素异构酶（CrtH），在黑暗中负责将顺式类胡萝卜素（如顺式番茄红素）异构化为全反式形式，而光照可直接进行光异构化；该功能在蓝藻和高等植物中可能保守。