The regulatory mechanism underlying light-inducible production of carotenoids in nonphototrophic bacteria
- 作者
- Hideaki Takano
- 单位
- Applied Biological Science and Life Science Research Center, College of Bioresource Sciences, Nihon University, Fujisawa, Japan
- 杂志
- Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry（2016）
- DOI
- 10.1080/09168451.2016.1156478
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
非光合细菌中光诱导类胡萝卜素生产的调控机制，尤其是光信号如何通过转录因子传递至基因表达层面。
研究策略
以三种非光合细菌（Streptomyces coelicolor A3(2)、Thermus thermophilus HB27、Bacillus megaterium QM B1551）为模型，结合遗传学、生物化学和转录组学方法，解析LitR-AdoB12复合物对crt基因簇的光敏抑制调控，并通过异源宿主和体外转录实验验证机制。
核心内容
该研究以天蓝色链霉菌A3(2)、嗜热栖热菌HB27和巨大芽孢杆菌QM B1551三种非光合细菌为模型，系统解析了光诱导类胡萝卜素合成的调控机制。通过遗传学、生物化学与转录组学相结合，发现LitR蛋白与辅酶B12衍生物AdoB12形成复合物，作为光敏转录抑制因子直接结合于crt基因簇启动子区域，阻遏类胡萝卜素合成基因的转录。光照条件下，365、450和530 nm波长的光引发LitR-AdoB12复合物光解，解除抑制从而激活类胡萝卜素合成，而633 nm光照无此效应。关键实验证实，天蓝色链霉菌中补充0.1 μM甲基钴胺素可恢复光诱导类胡萝卜素生成，litR敲除导致crt基因组成型表达；嗜热栖热菌转录组分析鉴定出19个LitR依赖性基因，突变体中表达量上调2.0至27.5倍；巨大芽孢杆菌litR突变株类胡萝卜素产量较野生型提高10倍。该研究揭示LitR-AdoB12是一种在革兰氏阳性和阴性菌中广泛保守的光敏转录调控因子，其结合位点共识序列为5'-TG(T/A)A(C/T)A-N16-T(G/A)TA(C/T)A-3'，为理解非光合细菌的光适应机制及光诱导代谢工程改造提供了理论基础。
创新点
发现LitR-AdoB12复合物作为新型辅酶B12依赖的光敏转录抑制因子；证明光诱导类胡萝卜素生产机制在革兰氏阳性和阴性菌中保守；揭示了T. thermophilus大质粒pTT27在光保护中的独特作用。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces coelicolor A3(2) | 类胡萝卜素生物合成 | litR | LitR | 调控 | MerR家族转录调控因子，与AdoB12结合作为光敏抑制子 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) | 类胡萝卜素生物合成 | litS | LitS (σ^LitS) | 调控 | ECF型sigma因子，介导crtE和crtY的光诱导转录 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) | 类胡萝卜素生物合成 | crtEIBV, crtYTU | Crt酶系（包括八氢番茄红素合酶等） | 催化 | 编码类胡萝卜素（异海绵烯）合成酶 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) | 维生素B12生物合成 | cobDQN | Cbl合成酶 | 催化 | 参与钴胺素生物合成后期步骤，缺乏导致低水平组成型类胡萝卜素生产 |
| Thermus thermophilus HB27 | 类胡萝卜素生物合成（热玉米黄质） | crtB | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 光诱导转录，受LitR和LdrP调控 |
| Thermus thermophilus HB27 | 光调控 | litR | LitR | 调控 | MerR家族光敏抑制子，与AdoB12结合，结合位点位于crtB启动子-55至-94 |
| Thermus thermophilus HB27 | 光调控 | ldrP | LdrP | 调控 | CRP/FNR家族正调控因子，cAMP非依赖，激活crtB和TT_P0044等基因转录 |
| Thermus thermophilus HB27 | 光修复 | phrB | DNA光裂合酶 | 催化 | 受LdrP调控，修复紫外线产生的嘧啶二聚体 |
| Bacillus megaterium QM B1551 | 类胡萝卜素生物合成 | litR (BMQ_4356) | LitR | 调控 | 光敏抑制子，与AdoB12结合，四聚体解离为二聚体 |
| Bacillus megaterium QM B1551 | 类胡萝卜素生物合成 | crtII-crtI2-crtB | Crt酶系 | 催化 | 编码类胡萝卜素合成酶，litR突变使产量提高10倍 |
关键发现
- S. coelicolor中，添加0.1 μM MeCbl可恢复光诱导类胡萝卜素生成
- litR敲除导致crt基因组成型表达。T. thermophilus中，转录组分析鉴定出19个LitR依赖性基因，在litR突变体中表达量较野生型上调2.0-27.5倍。B. megaterium中，litR突变株类胡萝卜素产量比野生型高10倍。体外转录实验表明，365、450、530 nm光照抑制LitR-AdoB12的阻遏活性，633 nm无影响。S. coelicolor LitR含330个氨基酸，B. megaterium LitR含303个氨基酸。B. megaterium LitR结合位点共识序列为5'-TG(T/A)A(C/T)A-N16-T(G/A)TA(C/T)A-3'
- T. thermophilus LitR结合位点位于crtB转录起始位点上游-55至-94区域。
研究结论
LitR/AdoB12复合物是非光合细菌中普遍存在的光敏转录抑制因子，通过光解作用调控类胡萝卜素合成基因的表达；该机制广泛分布于细菌界，且LitR还参与其他光诱导基因的调控，具有多种生理功能。