Biosynthesis and regulation of carotenoids in Dunaliella: Progresses and prospects
- 作者
- Zhi-Wei Ye, Jian-Guo Jiang, Guang-Hong Wu
- 单位
- College of Food and Bioengineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China; College of Life Science, South China Agricultural University, Guangzhou, 510641, China
- 杂志
- Biotechnology Advances（2008）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2008.03.004
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
杜氏藻（Dunaliella）能大量积累β-胡萝卜素，但传统生产方法存在效率低、成本高、区域局限等缺点，需要全面理解其类胡萝卜素生物合成途径和调控机制，以改进生产和开发高价值类胡萝卜素。
研究策略
系统综述杜氏藻中类胡萝卜素的生物合成途径（非甲羟戊酸途径、GGPP合成、八氢番茄红素合成及下游环化等）和调控机制（ROS信号转导、crt基因表达、脂质代谢关联），并评估其作为异源表达宿主的潜力。
核心内容
该文系统综述了杜氏藻中类胡萝卜素的生物合成途径与调控机制，并评估其作为异源生产平台的潜力。作者梳理了从非甲羟戊酸途径、GGPP合成到八氢番茄红素合成及下游环化的完整通路，重点讨论了活性氧（ROS）信号转导、crt基因表达以及类胡萝卜素与脂质代谢的关联。关键发现包括：逆境条件下杜氏藻β-胡萝卜素可占干重10%以上，其中D. salina自然条件下最高达13.8%，而适宜条件下仅0.3%；D. bardawil中9-顺式β-胡萝卜素含量为天然来源最高，占总量的40%。研究还指出38-kD的Cgp蛋白与β-胡萝卜素积累平行诱导，其功能是稳定含类胡萝卜素的脂质小球。比较显示，大肠杆菌类胡萝卜素积累量仅10–500 μg/g细胞干重，而商业杜氏藻可达50 mg/g干重，但通过过表达DXS、IPI、GGPS等基因，重组大肠杆菌可将积累量提高至1.5 mg/g细胞干重。该综述表明杜氏藻的crt酶效率高且储存能力强，是理想的类胡萝卜素异源生产宿主，未来需进一步解析分子调控机制以实现基因工程改良。
创新点
提出ROS是触发杜氏藻大量积累β-胡萝卜素的重要信号分子；揭示β-胡萝卜素积累与脂质（特别是三酰甘油）合成之间存在平行关系；指出杜氏藻crt酶高效且其类胡萝卜素储存能力远超大杆菌，可作为异源生产平台。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Dunaliella salina / Dunaliella bardawil | 类胡萝卜素生物合成途径 | psy | Phytoene synthase (PSY) | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素，是类胡萝卜素合成的关键酶；在D. salina和D. bardawil中均有克隆。 |
| Dunaliella salina / Dunaliella bardawil | 类胡萝卜素生物合成途径 | pds | Phytoene desaturase (PDS) | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢反应，为PDS型，与高等植物PDS最接近；在D. salina和D. bardawil中克隆。 |
| Dunaliella salina / Dunaliella bardawil | 类胡萝卜素生物合成途径 | lycB | Lycopene β-cyclase (LYC-B) | 催化 | 催化番茄红素末端加β环生成γ-胡萝卜素或β-胡萝卜素；文中提及作者实验室已克隆。 |
| Dunaliella bardawil | 类胡萝卜素积累相关脂质代谢 | cbr | Carotene globule protein (Cgp) | 区室化 | 38-kD蛋白，位于脂质小球外周，诱导与β-胡萝卜素积累平行，功能是稳定含β-胡萝卜素的脂质小球。 |
| Dunaliella salina | 非甲羟戊酸途径（MEP途径） | dxs | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase (DXS) | 催化 | 催化D-甘油醛-3-磷酸和丙酮酸生成DXP，是MEP途径的第一步限速酶；在氮限制条件下dxs表达降低而psy恒定表达。 |
| Dunaliella salina | 脂肪酸延伸途径 | kcs | β-ketoacyl-CoA synthase (Kcs) | 催化 | 催化脂酰CoA与丙二酰CoA缩合，是脂肪酸延伸的限速步骤；高渗休克下转录和活性增强，可能与脂质小球形成及β-胡萝卜素积累有关。 |
关键发现
- 杜氏藻在适宜（逆境）条件下β-胡萝卜素可占干重的10%以上，D. salina自然条件下最高达13.8%，不适宜条件下仅0.3%
- D. bardawil中9-顺式β-胡萝卜素含量为天然来源最高，占β-胡萝卜素总量的40%，全反式占50%
- 2004年全球类胡萝卜素市场价值8.869亿美元，β-胡萝卜素2.42亿美元，2009年预计2.53亿美元
- 化学合成β-胡萝卜素占全球消费84.8%，藻类来源仅8.5%
- 大肠杆菌类胡萝卜素积累量为10-500 μg/g细胞干重，而商业杜氏藻可达50 mg/g干重
- 通过过表达DXS、IPI、GGPS等，重组大肠杆菌类胡萝卜素积累量可提高至1.5 mg/g细胞干重。此外，38-kD的Cgp蛋白与β-胡萝卜素积累平行诱导，其功能是稳定含β-胡萝卜素的脂质小球。
研究结论
杜氏藻是β-胡萝卜素的高效天然来源，其类胡萝卜素合成途径与高等植物类似，ROS触发积累，且类胡萝卜素积累与脂质合成紧密相关。未来需进一步阐明途径、克隆关键基因、解析分子调控机制，从而利用基因工程使杜氏藻大量积累β-胡萝卜素及其他高价值类胡萝卜素，克服传统生产弊端。