Carotenoid isomerase: a tale of light and isomers
- 作者
- Giovanni Giuliano, Leonardo Giliberto, Carlo Rosati
- 单位
- ENEA, Casaccia Research Centre; ENEA, Trisaia Research Centre; Institute of Genetics, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
- 杂志
- Trends in Plant Science（2002）
- DOI
- 10.1016/S1360-1385(02)02329-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明类胡萝卜素生物合成中顺式到反式异构化的分子机制，特别是CrtISO（类胡萝卜素异构酶）的功能及其在植物和蓝细菌中的进化保守性。
研究策略
结合经典的遗传学（番茄tangerine突变体、拟南芥ccr2突变体）、生物化学（NMR、HPLC）和分子克隆（图位克隆）方法，并在大肠杆菌中异源表达CrtISO及Pds/Zds验证功能，同时利用蓝细菌Synechocystis的基因敲除和异源表达进行互补验证。
核心内容
该研究综合运用遗传学、生物化学与分子克隆手段，系统阐明了类胡萝卜素生物合成中顺式到反式异构化的分子机制。通过分析番茄tangerine突变体和拟南芥ccr2突变体，首次克隆并鉴定出编码类胡萝卜素异构酶CrtISO的基因，证明其与细菌型八氢番茄红素脱氢酶CrtI同源，但在植物中催化功能已分化，仅保留异构化活性而不具备脱氢功能。研究发现，tangerine突变体果实中积累7,9,7',9'-四顺式番茄红素及痕量顺式ζ-胡萝卜素，而野生型则积累全反式番茄红素；大肠杆菌异源表达实验证实植物型脱氢酶Pds和Zds只能产生顺式产物，需CrtISO介导顺反异构化。在蓝细菌集胞藻中敲除sll0033基因后，暗生长细胞同样积累顺式类胡萝卜素，但光照可补偿异构酶缺陷，提示叶绿素或其前体可能作为光敏剂参与光异构化。该工作揭示了CrtISO在植物和蓝细菌中的进化保守性，并提出了脱氢酶与异构酶共享脱氢-加氢辅助顺反异构化机制的统一模型，为类胡萝卜素代谢工程改造提供了关键酶学基础。
创新点
['首次克隆并鉴定番茄tangerine基因和拟南芥ccr2基因编码CrtISO类胡萝卜素异构酶', '证明CrtISO与细菌型八氢番茄红素脱氢酶CrtI同源，但催化功能分离为异构化', '揭示光可补偿CrtISO缺失的光异构化机制，并提出叶绿素或其前体作为光敏剂', '提出CrtISO和脱氢酶具有类似的催化机制（脱氢-加氢辅助顺反异构化）']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 | 类胡萝卜素生物合成 | Pds, Zds, CrtI, CrtISO | 八氢番茄红素脱氢酶(Pds), ζ-胡萝卜素脱氢酶(Zds), 细菌型八氢番茄红素脱氢酶(CrtI), 类胡萝卜素异构酶(CrtISO) | 催化 | 异源表达验证Pds+Zds产生prolycopene，CrtISO可将cis-转化为trans- |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成 | Tangerine (CrtISO) | 类胡萝卜素异构酶(CrtISO) | 催化 | tangerine突变体积累prolycopene和pro-ζ-carotene |
| 拟南芥 | 类胡萝卜素生物合成 | Ccr2 (CrtISO) | 类胡萝卜素异构酶(CrtISO) | 催化 | ccr2突变体暗生长叶片积累prolycopene和pro-ζ-carotene，缺乏原片层体 |
| 集胞藻 | 类胡萝卜素生物合成 | sll0033 | 类胡萝卜素异构酶(CrtISO) | 催化 | 敲除导致暗生长细胞积累顺式类胡萝卜素，过表达介导cis-trans异构化 |
| 单细胞绿藻（Scenedesmus） | 类胡萝卜素生物合成 | 未知（可能CrtISO） | 未知 | 催化 | 突变体c-6d在黑暗中形成多顺式胡萝卜素，光下转换为全反式 |
| 玉米 | 类胡萝卜素生物合成 | y9基因（可能编码CrtISO） | 未知 | 催化 | y9突变体类胡萝卜素异构化受影响，但基因产物尚未证实 |
关键发现
- ["番茄tangerine突变体果实积累7,9,7',9'-四顺式番茄红素（prolycopene）和痕量的9,9'-二顺式ζ-胡萝卜素（pro-ζ-carotene），而野生型积累全部反式番茄红素", "tangerine3183等位基因在5'非翻译区缺失，果实中prolycopene和pro-ζ-carotene等摩尔积累
- tangerinemic等位基因在编码区缺失，主要积累pro-ζ-carotene", '拟南芥ccr2突变体暗生长叶片积累大量pro-ζ-carotene和prolycopene，且黄化体中缺乏原片层体', '蓝细菌Synechocystis sll0033基因敲除后，暗生长细胞积累顺式类胡萝卜素（prolycopene和pro-ζ-carotene），光照可补偿异构酶缺陷，导致全反式环状类胡萝卜素积累', '大肠杆菌中表达Pds+Zds产生prolycopene，而表达细菌型CrtI产生全反式番茄红素，证实植物型脱氢酶缺乏异构化活性', 'CrtSO在Synechocystis中过表达可介导顺式到反式异构化']
研究结论
CrtISO是植物和蓝细菌中负责类胡萝卜素顺式到反式异构化的关键酶，其功能与细菌CrtI中的脱氢-异构化活性分离；光可替代酶促异构化，但需叶绿素等敏化剂；CrtISO可能还有额外功能（如ζ-胡萝卜素脱氢或原片层体形成）。