高级醇 · 代谢工程文献库

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The menD and menE homologs code for 2-succinyl-6-hydroxyl-2, 4-cyclohexadiene-1-carboxylate synthase and O-succinylbenzoic acid-CoA synthase in the phylloquinone biosynthetic pathway of Synechocystis sp. PCC 6803

作者
T. Wade Johnson, Sushma Naithani, Charles Stewart Jr., Boris Zybailov, A. Daniel Jones, John H. Golbeck, Parag R. Chitnis
单位
Department of Biochemistry, Biophysics and Molecular Biology, Iowa State University; Department of Biochemistry and Molecular Biology, The Pennsylvania State University; Department of Chemistry, The Pennsylvania State University
杂志
Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics（2003）
DOI
10.1016/S0005-2728(02)00396-1
所属领域
代谢工程
关键词
Photosystem IPhylloquinonePlastoquinoneSynechocystismenDmenE
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解决的核心问题

验证Synechocystis sp. PCC 6803中menD和menE同源基因是否编码叶绿醌生物合成途径中的SHCHC合酶和O-琥珀酰苯甲酸-CoA合酶，并研究其缺失对光合作用的影响。

研究策略

通过定向插入失活构建menD和menE突变株，结合HPLC/MS、EPR、光学动力学、77K荧光和生长表型分析，确认基因功能及替代醌的行为。

研究路线图

100%
研究问题：验证menD/menE编码叶绿醌合成酶
策略：构建menD/menE基因定向插入失活突变株
关键改造1：HPLC/MS醌组分分析
关键改造2：EPR光学动力学与77K荧光
关键改造3：生长表型与P700+回补动力学
结果：突变株缺叶绿醌，质体醌-9替代A1位点
结论：menD/menE为叶绿醌合成必需酶，缺失致PSI降低与高光敏感
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核心内容

该研究通过定向插入失活策略，在蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803中分别构建了menD和menE基因突变株，以验证这两个同源基因在叶绿醌生物合成途径中的功能。HPLC/MS分析确认两种突变株均完全缺乏叶绿醌，证明menD编码SHCHC合酶、menE编码O-琥珀酰苯甲酸-CoA合酶，且该途径是合成叶绿醌的唯一通路。突变株在光自养条件下倍增时间由野生型的26小时延长至约80小时，PSI/PSII比值从野生型的3.9降至2.7和2.2，且在光照强度超过120 μE m-2 s-1时无法生长，表现出明显的高光敏感性。P700+回补动力学分析显示，缺失叶绿醌后质体醌-9可替代其作为PSI的A1位电子传递辅因子，但PSI三聚体中Chl/醌比由野生型的42:1升高至约51:1和54:1，表明电子传递效率降低。这些结果不仅首次在蓝藻中证实了menD和menE的酶学功能，还揭示了叶绿醌对PSI稳定性和高效光合作用的关键作用，为理解光合电子传递链的辅因子适应性机制提供了新见解。

创新点

首次在蓝藻中证明menD和menE编码叶绿醌生物合成的关键酶；证明缺乏叶绿醌时质体醌-9可替代A1位点电子传递辅因子；揭示menD和menE缺失导致PSI/PSII比例降低和高光敏感。

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Synechocystis sp. PCC 6803 叶绿醌生物合成途径 menD 2-琥珀酰-6-羟基-2,4-环己二烯-1-羧酸(SHCHC)合酶 催化 催化异分支酸转化为SHCHC，释放丙酮酸和CO2；sll0603
Synechocystis sp. PCC 6803 叶绿醌生物合成途径 menE O-琥珀酰苯甲酸-CoA合酶 催化 催化O-琥珀酰苯甲酸连接CoA；slr0492
Synechocystis sp. PCC 6803 光合作用电子传递链 psaA/psaB PSI核心蛋白PsaA/PsaB 催化 PSI中A1位点结合醌；突变株中质体醌-9替代叶绿醌
Synechocystis sp. PCC 6803 光合作用电子传递链 menA 叶绿醌/质体醌-9 转运 质体醌-9在突变株中替代叶绿醌作为A1电子传递辅因子
Synechocystis sp. PCC 6803 光合作用电子传递链 menG 甲基转移酶 催化 文献提及menG编码甲基转移酶，催化2-植基-1,4-萘醌甲基化

关键发现

  1. menD和menE突变株完全缺乏叶绿醌
  2. PSI三聚体中Chl/醌比分别为51:1±2.1和54:1±4.1，野生型为42:1±3.6
  3. 光自养倍增时间突变株为80±8.0和80±8.2小时，野生型为26±3.0小时
  4. 光异养倍增时间突变株为41±5.5和42±1.2小时，野生型为14±1.5小时
  5. PSI/PSII比值野生型为3.9，menD为2.7，menE为2.2
  6. 在>120 μE m-2 s-1光照下突变株无法生长
  7. P700+回补动力学显示突变株中质体醌-9参与电子传递。

研究结论

Synechocystis sp. PCC 6803中的menD和menE基因确实编码叶绿醌生物合成途径中的SHCHC合酶和O-琥珀酰苯甲酸-CoA合酶，且该途径是唯一的叶绿醌合成途径；缺失后质体醌-9可替代叶绿醌作为PSI的A1电子传递辅因子，但导致PSI含量降低、生长变慢和高光敏感。