Complete genome sequence of Planococcus faecalis AJ003^T, the type species of the genus Planococcus and a microbial C30 carotenoid producer
- 作者
- Jin Won Kim, Jin Ho Kim, Hyun-Jun Kang, Hoon Ryu, Pyung Cheon Lee
- 单位
- Department of Molecular Science and Technology and Department of Applied Chemistry and Biological Engineering, Ajou University; Samyang Corporation
- 杂志
- Journal of Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1016/j.jbiotec.2017.12.005
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析产C30类胡萝卜素的模式菌株Planococcus faecalis AJ003T的完整基因组序列，并阐明其C30类胡萝卜素生物合成途径与基因功能。
研究策略
采用PacBio RS II单分子实时测序技术获得完整基因组，通过基因组注释分析预测类胡萝卜素及MEP途径基因，在E. coli中异源表达和功能互补验证基因功能。
核心内容
该研究首次报道了产C30类胡萝卜素的模式菌株Planococcus faecalis AJ003T的完整基因组序列，并系统解析了其类胡萝卜素生物合成途径。研究采用PacBio RS II单分子实时测序技术获得基因组，其大小为3,495,892 bp，G+C含量40.9%，共注释到3511个CDS、27个rRNA和72个tRNA。基因组分析鉴定出完整的MEP途径7个基因（dxs、ispC、ispD、ispE、ispF、ispG、ispH）以及由5个基因组成的类胡萝卜素基因簇，其中包含罕见的双拷贝crtN基因（crtN1和crtN2）。通过在E. coli XL1-blue中异源表达全基因簇，主要产物为4,4-二脱氢番茄红素及少量4,4-二脱氢神经孢烯，而仅表达crtN1-crtN2-crtM亚簇则只产生4,4-二脱氢神经孢烯。功能互补实验证实CrtN2是主要的4,4'-二脱氢番茄红素脱氢酶，CrtN1为辅助酶，CrtM可与金黄色葡萄球菌CrtN互补。该研究揭示了C30类胡萝卜素基因簇的组成与功能分工，为后续类胡萝卜素代谢工程改造和异源生产提供了关键的基因资源与机制基础。
创新点
首次报道P. faecalis AJ003T完整基因组，鉴定到罕见的双拷贝crtN基因（crtN1、crtN2），并揭示了其C30类胡萝卜素基因簇的组成与功能分工，为C30类胡萝卜素生物合成机制研究提供基础。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Planococcus faecalis AJ003T | MEP途径 | dxs, ispC, ispD, ispE, ispF, ispG, ispH | — | 催化 | 完整的甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径，合成类胡萝卜素前体IPP/DMAPP |
| Planococcus faecalis AJ003T | C30类胡萝卜素生物合成 | crtM | CrtM | 催化 | 4,4'-diapophytoene synthase（CrtM），催化两分子FPP缩合生成4,4'-diapophytoene |
| Planococcus faecalis AJ003T | C30类胡萝卜素生物合成 | crtN1 | CrtN1 | 催化 | 4,4'-diapophytoene desaturase（CrtN），辅助脱氢酶，与CrtM共表达产生4,4-diapolycopene和4,4-diaponeurosporene |
| Planococcus faecalis AJ003T | C30类胡萝卜素生物合成 | crtN2 | CrtN2 | 催化 | 主要的4,4'-diapophytoene desaturase（CrtN），与CrtM共表达产生4,4-diapolycopene和4,4-diaponeurosporene |
| Planococcus faecalis AJ003T | C30类胡萝卜素生物合成 | crtP | CrtP | 催化 | 4,4'-diaponeurosporene oxidase（CrtP），催化4,4-diaponeurosporene氧化，但异源表达中未检测到其活性，可能被错误注释 |
| Planococcus faecalis AJ003T | C30类胡萝卜素生物合成 | crtQ | CrtQ | 催化 | glycosyltransferase（CrtQ），负责糖基化修饰 |
| Escherichia coli XL1-blue | C30类胡萝卜素生物合成 | crtN1, crtN2, crtM, crtP, crtQ | CrtN1, CrtN2, CrtM, CrtP, CrtQ | 催化 | 异源表达P. faecalis AJ003T的完整类胡萝卜素基因簇，验证基因功能 |
| Escherichia coli XL1-blue | C30类胡萝卜素生物合成 | crtN1, crtN2, crtM | CrtN1, CrtN2, CrtM | 催化 | 表达亚簇crtN1-crtN2-crtM，仅产生4,4-diaponeurosporene |
| Escherichia coli XL1-blue | C30类胡萝卜素生物合成 | crtM (S. aureus) | CrtMSA | 催化 | 来自金黄色葡萄球菌的CrtM用于功能互补验证 |
| Escherichia coli XL1-blue | C30类胡萝卜素生物合成 | crtN (S. aureus) | CrtNSA | 催化 | 来自金黄色葡萄球菌的CrtN用于功能互补验证 |
关键发现
- 基因组大小为3,495,892 bp，G+C含量40.9%，含3511个CDS、27个rRNA和72个tRNA
- 鉴定到7个MEP途径基因（dxs、ispC、ispD、ispE、ispF、ispG、ispH）和5个类胡萝卜素基因（crtN1、crtN2、crtM、crtP、crtQ）。异源表达全基因簇主要产生4,4-二脱氢番茄红素（4,4-diapolycopene）和少量4,4-二脱氢神经孢烯（4,4-diaponeurosporene）
- 表达crtN1-crtN2-crtM亚簇只产生4,4-二脱氢神经孢烯。功能互补实验表明，CrtN2是主要的4,4'-二脱氢番茄红素脱氢酶，CrtN1为辅助酶，CrtM可与金黄色葡萄球菌CrtN互补。
研究结论
P. faecalis AJ003T含有完整的MEP途径和由5个基因组成的类胡萝卜素基因簇，其中crtN1和crtN2编码4,4'-二脱氢番茄红素脱氢酶异源拷贝。两个缺失的必要基因（编码AldH样醛脱氢酶和CrtA样单加氧酶）可能位于基因簇远端，需要进一步挖掘和功能验证。