Insights into the molecular mechanism of yellow cuticle coloration by a chitin-binding carotenoprotein in gregarious locusts
- 作者
- Nikita A. Egorkin, Eva E. Dominnik, Eugene G. Maksimov, Nikolai N. Sluchanko
- 杂志
- Communications Biology（2024）
- DOI
- 10.1038/s42003-024-06149-x
- 所属领域
- 结构生物学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明蝗虫黄色表皮着色中几丁质结合类胡萝卜素蛋白BBP的分子机制及其与β-胡萝卜素结合的特性和稳定性。
研究策略
利用工程化大肠杆菌异源表达BBP蛋白，结合HPLC、拉曼光谱、圆二色光谱、紫外-可见吸收光谱及几丁质结合实验，对重组BBP与天然BBP进行对比表征，并研究其配体选择性、寡聚状态和热稳定性。
核心内容
该研究通过工程化大肠杆菌异源表达系统，首次成功重构了蝗虫黄色表皮中的几丁质结合类胡萝卜素蛋白BBP，并系统表征了其与天然蛋白的等效性。研究者利用HPLC、拉曼光谱、圆二色光谱和紫外-可见吸收光谱等手段，对重组BBP与天然BBP进行了对比分析，并开发了SECmelt方法测定热稳定性。关键结果表明，重组BBP与天然蛋白具有相同的吸收光谱，最大吸收峰位于428、452和481 nm；BBP与β-胡萝卜素形成分子量为49.4 kDa的二聚体复合物，热稳定性T0.5约为68°C。在配体选择性方面，BBP优先结合β-胡萝卜素而非羟基类胡萝卜素，能将β-胡萝卜素浓缩至200 μM以上；对酮类胡萝卜素如echinenone有一定亲和力，但对玉米黄素等羟基类胡萝卜素亲和力极低。几丁质结合实验进一步揭示，BBP与几丁质的可逆结合依赖于乙酰基基团。研究还发现，在保存64年的蝗虫标本中仍能检测到β-胡萝卜素的拉曼特征信号。这些发现证实BBP是一种真正的β-胡萝卜素结合蛋白，通过形成稳定的水溶性复合物赋予蝗虫表皮黄色，其底物选择性和热稳定性为类胡萝卜素结合蛋白的工程化应用提供了重要基础。
创新点
首次在大肠杆菌中成功重构功能性的β-胡萝卜素结合蛋白BBP，并证明其与天然蛋白等效；揭示BBP优先结合β-胡萝卜素而非羟基类胡萝卜素；发现BBP与几丁质的可逆结合依赖于乙酰基基团；开发了SECmelt热稳定性测定方法。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类胡萝卜素合成 | crtE, crtB, crtI, crtY, crtZ, crtO | CrtE, CrtB, CrtI, CrtY, CrtZ, CrtO | 催化 | 来自Pantoea ananatis的类胡萝卜素合成基因簇，用于在大肠杆菌中生产β-胡萝卜素、玉米黄素及酮类胡萝卜素。 |
| Escherichia coli | 类胡萝卜素结合 | BBP | BBP (β-carotene-binding protein) | 区室化 | 来自Schistocerca gregaria的成熟形式（残基23-273），重组表达后与β-胡萝卜素结合，形成可溶性复合物并沉积于几丁质。 |
关键发现
- 重组BBP与天然BBP具有相同的吸收光谱，最大吸收峰位于428、452和481 nm
- BBP(βCar)复合物的SEC-MALS分子量为49.4 kDa，表明其为二聚体
- BBP结合β-胡萝卜素后热稳定性T0.5约为68°C
- BBP可浓缩β-胡萝卜素至200 μM以上
- BBP优先结合β-胡萝卜素，对酮类胡萝卜素（如echinenone）有一定亲和力，对羟基类胡萝卜素（如玉米黄素）亲和力极低
- BBP与几丁质可逆结合，但不与壳聚糖结合
- 即使在64年蝗虫标本中仍能检测到β-胡萝卜素的拉曼特征，但蛋白质提取困难。
研究结论
BBP是一种真正的β-胡萝卜素结合蛋白，通过形成稳定的水溶性复合物赋予蝗虫表皮黄色着色。该复合物可通过与几丁质结合沉积于表皮，其稳定性和选择性有助于蝗虫在环境胁迫下保持颜色。此研究为类胡萝卜素结合蛋白的结构和应用提供了基础。