Mechanistic Aspects of Carotenoid Biosynthesis
- 作者
- Alexander R. Moise, Salim Al-Babil, Eleanore T. Wurtzel
- 单位
- Department of Pharmacology and Toxicology, School of Pharmacy, University of Kansas; BESE Division, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST); Department of Biological Sciences, Lehman College, The City University of New York; The Graduate School and University Center, The City University of New York
- 杂志
- Chemical Reviews（2014）
- DOI
- 10.1021/cr400106y
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
系统阐述类胡萝卜素生物合成途径中从异戊二烯前体到最终产物各步骤的酶学机制，包括MEP和MVA途径、八氢番茄红素合成、脱氢、环化及环取代等反应的结构与催化机理。
研究策略
采用综述形式，整合结构生物学、酶动力学、同位素标记和基因功能研究等成果，逐步骤解析类胡萝卜素生物合成关键酶的结构、反应机理及调控机制。
核心内容
该综述系统梳理了类胡萝卜素生物合成的完整酶学机制，涵盖MEP与MVA两条前体途径以及后续的缩合、脱氢、环化等修饰反应。作者整合结构生物学、酶动力学与同位素标记证据，逐酶解析了从异戊二烯前体到终产物的催化机理。关键进展包括：提出DXR以逆羟醛/羟醛重排方式催化且转移NADPH的pro-S氢；证实IDI-2是首个利用还原型FMN作为酸碱催化剂的酶，区别于依赖半胱氨酸的IDI-1；HDS与HDR则通过有机金属中间体完成转化。研究还发现DXS为MEP途径限速步骤，过表达HDR及上游酶并添加D-木酮糖时IPP与DMAPP比例达5:1，且CrtM与PSY共享头对头缩合机制，通过CrtM定点突变可改变C40产物偏好。自然界已存在逾700种类胡萝卜素，这些结构与机理层面的认知既揭示了酶在进化中的功能分化，也为通过代谢工程精准调控类胡萝卜素合成或设计靶向抑制剂提供了分子基础。
创新点
对各类胡萝卜素生物合成酶的三维结构与催化机制进行了系统比较和归纳，提出了DXR的逆羟醛/羟醛机理、IDI-2利用还原型FMN作为酸碱催化剂、HDS/HDR通过有机金属中间体反应等新见解。
研究对象（28）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase (DXS) | 催化 | 限速酶，催化G3P和丙酮酸缩合生成DXP；其活性影响类异戊二烯产量。 |
| Escherichia coli | MEP pathway | dxr | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase (DXR) | 催化 | 催化DXP重排还原为MEP，是MEP途径的第一个专一酶；可被磷胺霉素抑制。 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispD | 2C-methyl-D-erythritol-4-phosphate cytidyltransferase (MCT) | 催化 | 催化MEP与CTP缩合生成CDP-ME。 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispE | CDP-ME kinase (CMK) | 催化 | 磷酸化CDP-ME生成CDP-ME-2P。 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispF | MECDP synthase (MDS) | 催化 | 通过分子内转磷酸化生成MECDP。 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispG | HMBPP synthase (HDS) | 催化 | 含[4Fe-4S]簇，将MECDP转化为HMBPP。 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ispH | HMBPP reductase (HDR) | 催化 | 还原HMBPP生成IPP和DMAPP，产物比例约5:1。 |
| Escherichia coli | Isoprenoid precursor interconversion | idi | Isopentenyl diphosphate isomerase type 1 (IDI-1) | 催化 | 依赖Zn2+/Mg2+催化IPP与DMAPP互变。 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | Isoprenoid precursor interconversion | idi2 | Isopentenyl diphosphate isomerase type 2 (IDI-2) | 催化 | 黄素蛋白，利用还原型FMN和NADPH进行酸碱催化。 |
| Saccharomyces cerevisiae | Mevalonate pathway | AACT | Acetoacetyl-CoA thiolase (AACT) | 催化 | 催化两分子乙酰CoA缩合生成乙酰乙酰CoA。 |
| Saccharomyces cerevisiae | Mevalonate pathway | HMGS | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase (HMGS) | 催化 | 催化乙酰乙酰CoA与乙酰CoA缩合生成HMG-CoA。 |
| Homo sapiens | Mevalonate pathway | HMGCR | HMG-CoA reductase (HMGR) | 催化 | 催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸，是MVA途径的限速酶。 |
| Saccharomyces cerevisiae | Mevalonate pathway | MK | Mevalonate kinase (MK) | 催化 | 催化甲羟戊酸磷酸化生成甲羟戊酸-5-磷酸。 |
| Saccharomyces cerevisiae | Mevalonate pathway | PMK | Phosphomevalonate kinase (PMK) | 催化 | 催化甲羟戊酸-5-磷酸磷酸化生成甲羟戊酸-5-焦磷酸。 |
| Saccharomyces cerevisiae | Mevalonate pathway | MVD | Mevalonate diphosphate decarboxylase (MVD) | 催化 | 催化甲羟戊酸-5-焦磷酸脱羧脱水生成IPP。 |
| Archaea | Mevalonate pathway variant | IPK | Isopentenyl phosphate kinase (IPK) | 催化 | 古菌旁路中催化异戊烯基磷酸磷酸化为IPP。 |
| Pantoea agglomerans | Carotenoid biosynthesis | crtE | Geranylgeranyl diphosphate synthase (GGPPS) | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成GGPP。 |
| Zea mays | Carotenoid biosynthesis | psy | Phytoene synthase (PSY) | 催化 | 催化两分子GGPP头对头缩合生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的限速步骤。 |
| Staphylococcus aureus | Carotenoid biosynthesis (C30 staphyloxanthin) | crtM | Dehydrosqualene synthase (CrtM) | 催化 | 与PSY同源，催化FPP头对头缩合生成脱氢角鲨烯。 |
| Pantoea agglomerans | Carotenoid biosynthesis | crtI | Phytoene desaturase (CRTI) | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素。 |
| Arabidopsis thaliana | Carotenoid biosynthesis (poly-cis pathway) | pds | Phytoene desaturase (PDS) | 催化 | 在植物/蓝藻中催化八氢番茄红素生成ζ-胡萝卜素。 |
| Arabidopsis thaliana | Carotenoid biosynthesis (poly-cis pathway) | zds | Zeta-carotene desaturase (ZDS) | 催化 | 进一步脱氢生成顺式番茄红素前体。 |
| Arabidopsis thaliana | Carotenoid biosynthesis (poly-cis pathway) | crtiso | Carotenoid isomerase (CRTISO) | 催化 | 催化顺式番茄红素异构化为全反式番茄红素。 |
| Pantoea agglomerans | Carotenoid biosynthesis | crtY | Lycopene cyclase (CrtY) | 催化 | 催化番茄红素两端环化生成β-胡萝卜素。 |
| Arabidopsis thaliana | Xanthophyll biosynthesis | cyp97a3 | Cytochrome P450 carotene hydroxylase | 催化 | 催化胡萝卜素环的羟基化。 |
| Arabidopsis thaliana | Xanthophyll biosynthesis | zep | Zeaxanthin epoxidase (ZEP) | 催化 | 催化玉米黄质环氧化生成紫黄质。 |
| Arabidopsis thaliana | Xanthophyll biosynthesis | vde | Violaxanthin de-epoxidase (VDE) | 催化 | 催化紫黄质脱环氧生成玉米黄质，参与光保护NPQ。 |
| Arabidopsis thaliana | Carotenoid biosynthesis regulation | PIF1 | Phytochrome interacting factor 1 (PIF1) | 调控 | 光敏色素调控的转录因子，抑制PSY表达；光激活后降解从而启动PSY表达。 |
关键发现
- 自然界存在超过700种类胡萝卜素
- MEP途径中的DXS是限速步骤
- DXR催化DXP发生逆羟醛/羟醛重排并转移NADPH的pro-S氢
- 过表达HDR及其上游酶并添加D-木酮糖时，产生的IPP与DMAPP比例为5:1
- IDI-2是第一个利用还原型FMN进行酸碱催化的酶
- CrtM与PSY共享头对头缩合机制，通过CrtM突变可实现C40产物偏好。
研究结论
类胡萝卜素生物合成涉及MEP和MVA两条前体途径以及一系列催化脱氢、异构化、环化和修饰反应的酶；对这些酶结构与机理的深入理解不仅揭示了进化上的多样性，也为通过代谢工程和药物设计干预类胡萝卜素合成提供了理论基础。