Multiple ketolases involved in light regulation of canthaxanthin biosynthesis in Nostoc punctiforme PCC 73102
- 作者
- Lotte Schöpf, Jürgen Mautz, Gerhard Sandmann
- 杂志
- Planta（2013）
- DOI
- 10.1007/s00425-013-1846-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析 Nostoc punctiforme PCC 73102 中三个 β-胡萝卜素酮化酶（crtO 和两个 crtW）在光照调控下对 canthaxanthin 生物合成的不同贡献及转录调控机制。
研究策略
通过在大肠杆菌中异源表达各酮化酶基因进行功能互补，结合类胡萝卜素组成分析和 qRT-PCR 转录水平分析，研究高光胁迫下各基因的表达变化和产物积累。
核心内容
该研究以蓝藻 Nostoc punctiforme PCC 73102 为对象，解析了三个β-胡萝卜素酮化酶（CrtO、CrtW38、CrtW148）在光照调控下对 canthaxanthin 生物合成的分工机制。通过大肠杆菌异源表达、类胡萝卜素组成分析及 qRT-PCR 转录检测发现，高光胁迫（300 photons cm⁻² s⁻¹）下 canthaxanthin 含量24小时内从 44.2 μg/g 干重升至 168.8 μg/g，占类胡萝卜素比例从6.5%增至18.3%，约增加3倍；同时 4-酮基-海胆酮从4.0增至19.9 μg/g。转录水平上，crtB 表达上调1.7倍，crtW148 上调近4倍，而 crtW38 和 crtO 表达下降。功能互补实验显示，CrtW148 能完全转化β-胡萝卜素生成 canthaxanthin，且是唯一能催化 4-酮基-海胆酮合成最后一步的酶；CrtW38 效率较低并积累中间体，CrtO 不能转化 zeaxanthin。研究揭示高光通过协同上调 crtB 与 crtW148 增强 canthaxanthin 的光保护供给，明确了 CrtW148 在高光条件下承担主要酮化功能，为类胡萝卜素代谢工程提供了关键酶靶点。
创新点
发现 crtW148 在高光下被上调并取代其他酮化酶成为 canthaxanthin 合成的主要酶；发现 crtW148 是唯一能够催化 4-酮基-海胆酮合成最后一步的酮化酶；揭示 crtB（八氢番茄红素合成酶）和 crtW148 的协同转录上调增强 canthaxanthin 的光保护供给。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nostoc punctiforme PCC 73102 | 类胡萝卜素生物合成 | crtB | 八氢番茄红素合成酶 | 催化 | 高光下转录上调约1.7倍，增加类胡萝卜素通路碳流入 |
| Nostoc punctiforme PCC 73102 | 类胡萝卜素生物合成 | crtW148 | β-胡萝卜素酮化酶 CrtW148 | 催化 | 高光下转录上调近4倍，可完全转化β-胡萝卜素为canthaxanthin，并唯一能催化4-酮基-海胆酮合成及zeaxanthin向astaxanthin的转化 |
| Nostoc punctiforme PCC 73102 | 类胡萝卜素生物合成 | crtW38 | β-胡萝卜素酮化酶 CrtW38 | 催化 | 高光下转录下调，酶活性较低，利用β-胡萝卜素效率低，积累echinone中间体 |
| Nostoc punctiforme PCC 73102 | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | β-胡萝卜素酮化酶 CrtO | 催化 | 高光下转录下调，功能上作为二酮醇酶可形成canthaxanthin，但效率低于CrtW148，且不能催化3-羟基-β-紫罗酮环 |
关键发现
- 高光（300 photons cm^-2 s^-1）下24h后，canthaxanthin 含量从44.2 μg/g干重增至168.8 μg/g，占类胡萝卜素比例从6.5%升至18.3%（低光下为6.8%），约增加3倍；4-酮基-海胆酮从4.0增至19.9 μg/g；总类胡萝卜素在HL和LL分别为920.1和933.0 μg/g，基本持平。用difunon抑制试验测得phytoene合成速率在HL比LL高约1.7倍（6h：50.0 vs
- 0 μg/g；24h：205.8 vs
- 1 μg/g）。转录水平上，crtB在HL处理6h后相对表达量增加1.7倍，crtW148增加近4倍，而crtW38和crtO表达量在HL下下降。功能互补实验显示，CrtW148能完全将β-胡萝卜素转化为canthaxanthin，且能催化zeaxanthin生成astaxanthin；CrtW38仅利用不到一半的β-胡萝卜素底物并积累echinone中间体；CrtO虽能生成canthaxanthin但效率较低，且不能转化zeaxanthin。
研究结论
在 Nostoc punctiforme PCC 73102 中，高光胁迫通过转录上调 crtB 和 crtW148 增强 canthaxanthin 的合成以提供光保护，而其他酮化酶（crtW38、crtO）则下调；CrtW148 在 HL 条件下起主要酮化作用，并专门负责 4-酮基-海胆酮和 canthaxanthin 的末端合成步骤。