Generation of lycopene-overproducing strains of the fungus Mucor circinelloides reveals important aspects of lycopene formation and accumulation
- 作者
- Yingtong Zhang, Haiqin Chen, Eusebio Navarro, Sergio López-García, Yong Q. Chen, Hao Zhang, Wei Chen, Victoriano Garre
- 单位
- State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, People's Republic of China; Departamento de Genética y Microbiología (Unidad Asociada al IQFR-CSIC), Facultad de Biología, Universidad de Murcia, 30100 Murcia, Spain; Beijing Innovation Centre of Food Nutrition and Human Health, Beijing Technology and Business University (BTBU), Beijing 100048, People's Republic of China
- 杂志
- Biotechnology Letters（2016）
- DOI
- 10.1007/s10529-016-2265-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
生成番茄红素高产的卷枝毛霉（Mucor circinelloides）菌株，并阐明番茄红素环化酶（CarRP）的催化机制和番茄红素积累过程中的调控机制。
研究策略
利用经典化学诱变（NTG）处理β-胡萝卜素高产菌株MU606，筛选红色突变体，通过测序鉴定carRP基因突变，结合HPLC分析类胡萝卜素组成和实时定量PCR检测carB/carRP表达，解析突变对环化酶活性和基因表达的影响。
核心内容
该研究通过经典化学诱变策略，以NTG处理β-胡萝卜素高产卷枝毛霉菌株MU606，经红色突变体筛选获得了三个carRP基因点突变体MU614（A43V）、MU615（V74M）和MU616（S61P）。HPLC分析显示，MU616中番茄红素环化酶几乎完全失活，光照条件下番茄红素产量达3.64 mg/g干重，较既有高产菌株MU224（2.53 mg/g）提高44%，暗处产量提高67%（1.90对1.14 mg/g），且几乎检测不到β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素残留，证明S61为环化酶催化关键残基；MU614和MU615则因部分活性残留仍积累少量β-胡萝卜素。基因表达分析发现MU616的carB和carRP mRNA水平显著升高，但与MU615相近，提示高浓度番茄红素可能触发终产物反馈调控。该工作不仅提供了可直接用于工业生产的番茄红素高产菌株MU616，还揭示了CarRP中两个R结构域的功能差异及关键催化位点，为通过靶向突变替代化学抑制剂实现菌株优化提供了新靶点，同时反馈调控现象的提出也为后续代谢工程改造指明了新方向。
创新点
鉴定出番茄红素环化酶R结构域中关键催化残基（如A43、S61），发现第一个R结构域与第二个R结构域的功能差异，提出番茄红素积累可能触发终产物反馈调控的新观点。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mucor circinelloides | 类胡萝卜素生物合成 | carRP | CarRP（含番茄红素环化酶R域和八氢番茄红素合酶P域） | 催化 | 双功能酶；R域催化番茄红素→γ-胡萝卜素→β-胡萝卜素，P域催化八氢番茄红素合成；本研究鉴定R域关键残基突变 |
| Mucor circinelloides | 类胡萝卜素生物合成 | carB | CarB（八氢番茄红素脱氢酶） | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢产生番茄红素；检测其mRNA表达水平 |
| Mucor circinelloides | 类胡萝卜素生物合成调控 | crgA | CrgA | 调控 | 负调控因子；MU606菌株中该基因被缺失，提高类胡萝卜素基因表达 |
| Mucor circinelloides | 类胡萝卜素生物合成调控 | mwc-1c | Mwc-1c | 调控 | 光诱导调控基因，参与光调控类胡萝卜素合成，作为背景提及 |
关键发现
- 通过NTG诱变获得三个carRP突变体MU614、MU615、MU616，分别携带A43V、V74M、S61P突变
- MU616中环化酶几乎完全失活，在光照下番茄红素产量达3.64 mg/g干重，比已有高产菌株MU224（2.53 mg/g）提高44%，暗处提高67%（1.90 vs 1.14 mg/g）
- MU614和MU615在光照下番茄红素产量分别为2.12和2.88 mg/g，但仍残留β-胡萝卜素（0.39和0.50 mg/g）和γ-胡萝卜素，说明环化酶部分失活
- MU616中几乎无β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素，表明S61是催化关键残基
- 基因表达分析显示MU616的carB和carRP mRNA水平较高，但carB mRNA水平与MU615相近，提示可能存在终产物反馈抑制。
研究结论
通过诱变获得了高产番茄红素的卷枝毛霉菌株MU616，可作为工业生产的候选菌株；鉴定了环化酶关键残基，并提出通过突变该类残基可避免化学抑制剂；此外，高浓度番茄红素可能触发反馈调控，为菌株优化提供新靶点。