Carotenogenesis in cyanobacteria: CruA/CruP-type and CrtL-type lycopene cyclases
- 作者
- Kenjiro Sugiyama, Shinichi Takaichi
- 单位
- Department of Applied Chemistry, School of Advanced Engineering, Kogakuin University; Department of Molecular Microbiology, Faculty of Life Science, Tokyo University of Agriculture
- 杂志
- Journal of General and Applied Microbiology（2020）
- DOI
- 10.2323/jgam.2020.01.005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
蓝藻中番茄红素环化酶的类型、功能与进化关系尚不清楚，尤其是CruA/CruP型与CrtL型环化酶在类胡萝卜素生物合成分支点中的作用与分布
研究策略
系统综述已功能验证的蓝藻类胡萝卜素合成相关酶和基因，结合同源序列比对和系统发育分析，重点总结CruA/CruP型与CrtL型番茄红素环化酶的功能与演化
核心内容
该研究系统综述了蓝藻中两类番茄红素环化酶（CruA/CruP型与CrtL型）的功能、分布与进化关系。通过梳理已功能验证的酶基因并结合同源序列比对和系统发育分析，发现目前仅在5个蓝藻物种中确认了7个番茄红素环化酶。Synechococcus sp. PCC 7002的CruA与同源蛋白氨基酸同一性为62–67%，CruP为51–56%，CrtL为50–59%。值得注意的是，Synechocystis sp. PCC 6803的CruA（sll0147）在大肠杆菌中单独表达无环化活性，但在cruA缺失突变体中可恢复类胡萝卜素合成，且纯化蛋白含叶绿素a和β-胡萝卜素，提示其催化依赖叶绿素a结合。Prochlorococcus marinus MED4的CrtL-e兼具ε-和β-环化酶活性，而Gloeobacter violaceus PCC 7421仅用细菌型CrtI完成脱氢步骤。研究明确了番茄红素环化是β-胡萝卜素与γ-胡萝卜素分支的关键调控点，两类酶在不同谱系中差异分布，对理解蓝藻类胡萝卜素多样性及进化具有重要意义。
创新点
首次系统比较了CruA/CruP型与CrtL型番茄红素环化酶在蓝藻中的功能确认情况，揭示了Synechocystis sp. PCC 6803中CruA需要结合叶绿素a才能发挥催化活性的特殊机制，并指出Acaryochloris marina中α-胡萝卜素手性异常现象
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Thermosynechococcus elongatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | CrtE | 催化 | 香叶基香叶基二磷酸合酶，催化FPP和IPP合成GGPP |
| Synechococcus sp. PCC 7942; Synechocystis sp. PCC 6803; Gloeobacter violaceus | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | CrtB | 催化 | 八氢番茄红素合酶，催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| Synechocystis sp. PCC 6803; Anabaena sp. PCC 7120; Synechococcus sp. PCC 7942 | 类胡萝卜素生物合成 | crtP | CrtP | 催化 | 八氢番茄红素脱氢酶，催化八氢番茄红素脱氢生成ζ-胡萝卜素 |
| Synechocystis sp. PCC 6803; Anabaena sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素生物合成 | crtQ | CrtQ | 催化 | ζ-胡萝卜素脱氢酶，催化ζ-胡萝卜素脱氢生成链孢红素/番茄红素 |
| Arthrospira platensis NIES-39 | 类胡萝卜素生物合成 | z-iso | Z-ISO | 催化 | ζ-胡萝卜素异构酶，催化9,15,9'-三顺式ζ-胡萝卜素转化为9,9'-二顺式ζ-胡萝卜素 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | crtH | CrtH | 催化 | 顺式-胡萝卜素异构酶，催化多顺式链孢红素和番茄红素转化为全反式 |
| Gloeobacter violaceus PCC 7421 | 类胡萝卜素生物合成 | crtI | CrtI | 催化 | 细菌型八氢番茄红素脱氢酶，一步完成从八氢番茄红素到番茄红素的脱氢 |
| Synechocystis sp. PCC 6803; Anabaena sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素生物合成 | crtR | CrtR | 催化 | β-胡萝卜素羟化酶，催化β-胡萝卜素生成玉米黄质 |
| Thermosynechococcus elongatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtG | CrtG | 催化 | 2,2'-β-羟化酶，参与诺斯藤黄素和2-羟基海胆酮糖苷合成 |
| Anabaena sp. PCC 7120 | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | CrtO | 催化 | β-胡萝卜素酮醇酶，催化β-胡萝卜素生成海胆酮 |
| Anabaena sp. PCC 7120; Nostoc punctiforme PCC 73102 | 类胡萝卜素生物合成 | crtW | CrtW | 催化 | β-胡萝卜素酮醇酶，催化海胆酮生成角黄素或参与4-酮海胆素糖苷合成 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成 | cruF | CruF | 催化 | C-1'水合酶，参与海胆素糖苷的合成 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成 | cruG | CruG | 催化 | 2'-O-糖基转移酶，催化海胆素糖苷化 |
| Synechococcus sp. PCC 7002; Arthrospira platensis NIES-39; Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | cruA | CruA | 催化 | 番茄红素环化酶，催化番茄红素生成β-胡萝卜素。Synechocystis中需结合叶绿素a激活 |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | 类胡萝卜素生物合成 | cruP | CruP | 催化 | 番茄红素环化酶（功能存在争议），有报道认为其参与保护氧化损伤而非直接环化 |
| Synechococcus elongatus PCC 7942 | 类胡萝卜素生物合成 | crtL-b | CrtL-b | 催化 | 番茄红素β-环化酶，催化番茄红素生成γ-胡萝卜素和β-胡萝卜素 |
| Prochlorococcus marinus MED4 | 类胡萝卜素生物合成 | crtL-e | CrtL-e | 催化 | 双功能番茄红素ε/β-环化酶，同时具有ε-环化酶和β-环化酶活性，参与α-胡萝卜素合成 |
关键发现
目前仅在5个蓝藻物种中功能确认了7个番茄红素环化酶（CruA、CruP、CrtL型）。Synechococcus sp. PCC 7002的CruA与同源蛋白氨基酸同一性为62-67%，CruP为51-56%，CrtL为50-59%。Synechocystis sp. PCC 6803的CruA（sll0147）在大肠杆菌中单独表达无环化活性，但在Synechococcus sp. PCC 7002的cruA缺失突变体中可恢复正常类胡萝卜素合成，纯化的CruA蛋白含有叶绿素a和β-胡萝卜素。Prochlorococcus marinus MED4的CrtL-e为双功能酶，同时具有番茄红素ε-环化酶和β-环化酶活性。Gloeobacter violaceus PCC 7421仅用细菌型八氢番茄红素脱氢酶CrtI完成从八氢番茄红素到番茄红素的转化。
研究结论
蓝藻类胡萝卜素合成途径中，番茄红素环化是β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素分支的关键步骤，分别由CruA/CruP型和CrtL型环化酶催化。CruA和CruP同源基因广泛存在于蓝藻基因组中，但功能验证有限；CrtL型仅在少数物种中确认。这些酶的研究对于理解蓝藻类胡萝卜素多样性和进化具有重要意义。