Subcellular Localization of Carotenoid Biosynthesis in Synechocystis sp. PCC 6803
- 作者
- Lifang Zhang, Tiago Toscano Selão, Eva Selstam, Birgitta Norling
- 单位
- School of Biological Sciences, Nanyang Technological University, Singapore; Department of Plant Physiology, Umeå Plant Science Center, University of Umeå, Umeå, Sweden
- 杂志
- PLoS ONE（2015）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0130904
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素生物合成途径中各个酶促步骤在蓝藻（Synechocystis sp. PCC 6803）中的亚细胞定位尚不清楚，尤其是CrtQ和CrtO在质膜与类囊体膜中的分布未知。
研究策略
通过蔗糖密度梯度和双水相分离获得不同膜亚组分（PM1、PM2、TM），利用3xFLAG表位标签标记内源CrtQ和CrtO，结合Western blot定量其亚细胞分布；采用HPLC分析不同膜组分的类胡萝卜素组成，并检测膜结合特性及是否存在高分子量复合物。
核心内容
该研究以蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803为对象，系统探究了类胡萝卜素生物合成关键酶CrtQ和CrtO的亚细胞定位。通过蔗糖密度梯度和双水相分离获得质膜（PM1、PM2）与类囊体膜（TM）亚组分，利用3xFLAG标签标记内源蛋白并结合Western blot定量，同时以HPLC分析各膜组分类胡萝卜素组成。结果显示，轻质膜PM1的类胡萝卜素/蛋白比最高，TM和PM2中含量仅分别为其16%和11%；PM1中β-胡萝卜素占总类胡萝卜素的54%，而PM2以myxoxanthophyll为主（41%）。CrtQ在TM中的含量约为PM1的30%，PM2中与PM1相当；CrtO则富集于PM1和PM2，在TM中极低，检测CrtO信号所需曝光时间约为CrtQ的50倍。高pH和6M尿素处理不能完全洗脱这两种酶，表明其具有强膜结合特性，且未检测到含CrtQ或CrtO的高分子量复合物。该结果揭示质膜是类胡萝卜素合成的主要亚细胞场所，番茄红素前体通过膜内扩散而非与光合复合物直接互作进行传递，为理解蓝藻类胡萝卜素合成的空间组织提供了关键证据。
创新点
首次系统揭示了Synechocystis中类胡萝卜素生物合成关键酶CrtQ和CrtO的亚细胞定位；发现轻质膜PM1具有最高的类胡萝卜素/蛋白比，提示质膜是类胡萝卜素合成的主要场所；同时发现CrtQ和CrtO不以稳定的大分子复合物形式存在。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | slr0940 (crtQ) | CrtQ | 催化 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶，催化ζ-胡萝卜素转化为番茄红素 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 类胡萝卜素生物合成 | slr0088 (crtO) | CrtO | 催化 | β-胡萝卜素酮化酶，催化β-胡萝卜素转化为海胆酮/3-羟基海胆酮 |
关键发现
- PM1的类胡萝卜素/蛋白比最高，TM和PM2中类胡萝卜素含量分别仅为PM1的16%和11%
- PM1中β-胡萝卜素占总类胡萝卜素的54%，TM中为42%，PM2中myxoxanthophyll占41%、β-胡萝卜素占20%
- CrtQ在TM中的含量约为PM1的30%，PM2中与PM1相当
- CrtO在PM1和PM2中富集，在TM中很低，检测CrtO信号需比CrtQ长约50倍的曝光时间（3分钟 vs 4秒）
- 高pH（EB12）和6M尿素处理不能完全从膜上洗脱CrtQ和CrtO，表明其具有强膜结合特性
- 未检测到含有CrtQ或CrtO的高分子量复合物。
研究结论
质膜（尤其是PM1）是Synechocystis中类胡萝卜素合成的主要亚细胞场所，CrtQ和CrtO在质膜中局部富集；β-胡萝卜素前体（番茄红素）的合成不直接与光合复合物相互作用，而是通过膜内扩散实现。