Light-inducible carotenoid production controlled by a MarR-type regulator in Corynebacterium glutamicum
- 作者
- Satoru Sumi, Yuto Suzuki, Tetsuro Matsuki, Takahiro Yamamoto, Yudai Tsuruta, Kou Mise, Takuya Kawamura, Yusuke Ito, Yuka Shimada, Erika Watanabe, Shoko Watanabe, Minami Toriyabe, Hatsumi Takano (Shiratori), Kenji Ueda, Hideaki Takano
- 杂志
- Scientific Reports（2019）
- DOI
- 10.1038/s41598-019-49384-7
- 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产生的转录调控机制此前仅局限于MerR家族LitR/CarH蛋白，其他类型的光响应调控因子尚未明确；本研究旨在发现并鉴定新的光诱导转录调控因子及其作用机制。
研究策略
从环境样本中筛选光诱导产黄色色素细菌，鉴定到谷氨酸棒杆菌等含MarR型调控因子CrtR；通过基因敲除、互补实验、定量RT-PCR、凝胶阻滞、DNase足迹和体外转录等手段，解析CrtR对类胡萝卜素基因簇的光依赖性负调控机制。
研究路线图
核心内容
该研究从约1100株环境分离菌中筛选出24株光诱导产黄色色素的菌株，在谷氨酸棒杆菌中鉴定到一种MarR型调控因子CrtR，并解析了其介导光依赖性类胡萝卜素合成的分子机制。通过基因敲除、互补实验、凝胶阻滞、DNase足迹及体外转录等实验，作者发现CrtR结合于crtE-crtR基因间区约52 bp的序列，该位点覆盖crtE启动子的-35和-10区，从而抑制SigA-RNA聚合酶对crtE的转录起始。光照可解除CrtR的DNA结合活性，使crtE、crtI等基因表达上调，类胡萝卜素得以积累；crtR突变株在黑暗和光照下均组成型产色素，而互补株恢复光依赖性表型。该调控机制在Corynebacteriales和Micrococcales等放线菌中广泛存在，突破了此前仅知MerR家族参与光诱导类胡萝卜素调控的认识，为光控基因表达提供了新元件，并可用于类胡萝卜素的工业化生产。
创新点
['首次发现MarR家族转录调控因子CrtR介导光诱导类胡萝卜素产生，突破了此前仅知MerR家族LitR/CarH参与该过程的认识', '确定了CrtR在crtE-crtR基因间区的精确结合序列（约52 bp），并证明CrtR抑制SigA-RNA聚合酶对crtE启动子的转录', '揭示CrtR调控的光响应机制在Corynebacteriales和Micrococcales等放线菌中广泛存在']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Corynebacterium glutamicum AJ1511 | 类胡萝卜素生物合成 | crtR | CrtR | 调控 | MarR家族转录调控因子，光依赖性负调控crt基因簇 |
| Corynebacterium glutamicum AJ1511 | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | CrtE | 催化 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶，催化类异戊二烯前体合成 |
| Corynebacterium glutamicum AJ1511 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | CrtI | 催化 | 八氢番茄红素脱氢酶，参与类胡萝卜素碳链去饱和 |
| Corynebacterium glutamicum AJ1511 | RNA聚合酶转录 | sigA | SigA | 调控 | 主sigma因子，识别crtE启动子并起始转录 |
| Corynebacterium glutamicum AJ1511 | 药物外排 | BBD29_03565 | BBD29_03565 | 转运 | RND超家族多药外排泵，与crt基因簇相邻，功能待定 |
关键发现
- 从约1100株环境分离菌中筛选出24株光诱导黄色色素产生菌，在1/10 LBG培养基中分离阳性率最高为3.9%
- CrtR的结合位点覆盖crtE TSS上游-58至-7及crtR TSS下游+26至-28（对应crtE启动子的-35、-10区）
- crtR突变株在黑暗和光照下均组成型产生类胡萝卜素，互补株恢复光依赖性
- 定量RT-PCR显示野生型中crtE、crtI等基因在光照下表达显著上调，而ΔcrtR中表达不依赖光照
- 体外run-off转录实验表明CrtR剂量依赖地抑制SigA介导的crtE转录
- C. glutamicum类胡萝卜素提取物在418、440、470 nm处有典型吸收峰
- C. glutamicum CrtR与Mycobacterium marinum CrtR的氨基酸相似性为21.8%。
研究结论
CrtR是谷氨酸棒杆菌中光依赖性类胡萝卜素基因簇转录的负调控因子，光照可解除其DNA结合活性，从而启动crt基因表达；该调控机制广泛存在于Corynebacteriales和Micrococcales等放线菌中，为光诱导基因表达调控提供了新的分子机制，并可能应用于类胡萝卜素的工业化生产。