Overexpression of DnaJ-Like Chaperone Enhances Carotenoid Synthesis in Chlamydomonas reinhardtii
- 作者
- Tateki Morikawa, Yusuke Uraguchi, Shohei Sanda, Satoshi Nakagawa, Shigeki Sawayama
- 单位
- Graduate School of Agriculture, Kyoto University
- 杂志
- Applied Biochemistry and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s12010-017-2521-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估内源DXS、DXR和Orange (OR) 蛋白在莱茵衣藻类胡萝卜素生物合成中的重要性，检验植烯合成步骤是否为限速步骤。
研究策略
通过核转化在莱茵衣藻中过表达内源OR、DXS和DXR基因，利用双启动子（HSP70A和RBCS2）驱动表达，并通过HPLC测定细胞和培养基中的叶黄素和β-胡萝卜素含量。
核心内容
本研究在莱茵衣藻中分别过表达内源Orange（OR，DnaJ-like chaperone）、DXS和DXR基因，以评估其对类胡萝卜素合成的调控作用。采用HSP70A与RBCS2双启动子系统驱动核转化表达，并通过HPLC检测细胞及培养基中的叶黄素与β-胡萝卜素含量。结果显示，过表达OR的转化株CrOR#2中，每细胞叶黄素和β-胡萝卜素含量分别较亲本提高1.9倍和1.7倍，OR蛋白占总细胞蛋白的1.4%；而过表达DXS使两种类胡萝卜素含量显著低于对照；过表达DXR的菌株每细胞叶黄素含量升高，但按培养基体积计含量反而降低，提示其可能抑制细胞生长。研究表明OR蛋白能够支持植烯合酶功能，植烯合成步骤是莱茵衣藻类胡萝卜素合成的限速环节；单独上调DXS或DXR无法有效推动通量，而OR过表达为增强类胡萝卜素积累提供了更有效的靶点。
创新点
首次在莱茵衣藻中过表达内源Orange (DnaJ-like chaperone) 基因并证明其增强类胡萝卜素合成；首次研究内源DXS和DXR过表达对衣藻类胡萝卜素合成的影响。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP途径/类胡萝卜素合成途径 | CrOR (CPL6, Cre06.g279500) | DnaJ-like chaperone (Orange protein) | 调控 | 支持植烯合酶，作为植烯合酶后的转录调控因子 |
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP途径 | CrDXS (DXS1, Cre07.g356350) | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个酶，过表达未增强类胡萝卜素积累 |
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP途径 | CrDXR (DXR1, Cre12.g546050) | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 | 催化 | MEP途径第二个酶，过表达增加细胞类胡萝卜素含量但抑制生长 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 类胡萝卜素合成途径 | 内源PSY基因 | 植烯合酶 | 催化 | 被OR蛋白调控，被认为是限速酶 |
关键发现
- 过表达OR的转化株CrOR#2的叶黄素和β-胡萝卜素含量分别比亲本菌株提高1.9倍和1.7倍（每细胞）
- 过表达DXS导致叶黄素和β-胡萝卜素每细胞含量显著低于对照
- 过表达DXR的转化株CrDXR#2和#4每细胞叶黄素含量显著高于对照，但每培养基含量显著低于对照。OR蛋白表达量占总细胞蛋白的1.4%。
研究结论
OR蛋白支持莱茵衣藻中的植烯合酶，植烯合成步骤是类胡萝卜素合成的限速步骤；单独过表达DXS或DXR不能有效增强类胡萝卜素合成，DXR过表达可能对细胞生长有抑制作用。