Genes Associated with 2-Methylisoborneol Biosynthesis in Cyanobacteria: Isolation, Characterization, and Expression in Response to Light
- 作者
- Zhongjie Wang, Yao Xu, Jihai Shao, Jie Wang, Renhui Li
- 单位
- Key Laboratory of Aquatic Biodiversity and Conservation, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, People's Republic of China; Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, People's Republic of China; College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing, People's Republic of China; Resources and Environment College, Hunan Agricultural University, Changsha, People's Republic of China; College of Life Science, Shanxi University, Taiyuan, People's Republic of China
- 杂志
- PLoS ONE（2011）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0018665
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明蓝藻中2-甲基异冰片（2-MIB）生物合成相关基因的遗传背景、进化关系及光调控机制，此前蓝藻中相关基因尚未被鉴定。
研究策略
分离两株产2-MIB的蓝藻（Pseudanabaena sp. dqh15和Planktothricoides raciborskii CHAB 3331），利用简并PCR和基因组步移法克隆SAM依赖甲基转移酶基因（mtf）和单萜环化酶基因（mic），通过序列比对、系统发育分析以及实时荧光定量PCR研究其进化和光响应表达。
研究路线图
核心内容
该研究首次在蓝藻中鉴定并克隆了与异味物质2-甲基异冰片（2-MIB）生物合成相关的关键基因。研究人员从两株产2-MIB的蓝藻Pseudanabaena sp. dqh15和Planktothricoides raciborskii CHAB 3331中，利用简并PCR和基因组步移法获得了SAM依赖甲基转移酶基因（mtf）和单萜环化酶基因（mic），其长度分别为870 bp/1194 bp和864 bp/1170 bp。序列比对与系统发育分析显示，蓝藻mtf与放线菌同源基因的DNA序列一致性约57%，而mic约44%，表明二者虽有共同起源，但蓝藻形成了独立的进化分支，且mtf、mic与两侧的环核苷酸结合蛋白基因（cnb）构成可能的操纵子结构。实时荧光定量PCR揭示光对该基因簇具有即时而短暂的调控作用：低光（10 μmol photons m⁻² s⁻¹）下mtf转录增加30%、mic增加60%，高光下则分别降低30%和50%，黑暗72 h后mRNA水平下降40%–80%。这些结果阐明了蓝藻2-MIB合成途径的遗传基础，并表明光是调控该基因表达的关键但非唯一因素，为控制水体异味提供了分子靶点。
创新点
首次在蓝藻中鉴定出2-MIB生物合成相关基因（mtf和mic）及其操纵子结构，发现蓝藻的2-MIB合成基因具有独特的进化分支，并揭示光对该基因表达的即时、瞬时调控作用。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudanabaena sp. dqh15 | 2-MIB生物合成（GPP甲基化及环化） | mtf | SAM依赖甲基转移酶 | 催化 | 催化GPP的甲基化，基因长870 bp |
| Pseudanabaena sp. dqh15 | 2-MIB生物合成（GPP甲基化及环化） | mic | 2-MIB环化酶（单萜环化酶） | 催化 | 催化甲基-GPP环化生成2-MIB，基因长1194 bp |
| Planktothricoides raciborskii CHAB 3331 | 2-MIB生物合成（GPP甲基化及环化） | mtf | SAM依赖甲基转移酶 | 催化 | 催化GPP的甲基化，基因长864 bp |
| Planktothricoides raciborskii CHAB 3331 | 2-MIB生物合成（GPP甲基化及环化） | mic | 2-MIB环化酶（单萜环化酶） | 催化 | 催化甲基-GPP环化生成2-MIB，基因长1170 bp |
| Pseudanabaena sp. dqh15 和 Planktothricoides raciborskii CHAB 3331 | 2-MIB生物合成调控 | cnb | 环核苷酸结合蛋白（Crp-Fnr家族） | 调控 | 位于mtf和mic两侧，推测参与2-MIB合成基因的转录调控 |
关键发现
- 从Pseudanabaena sp. dqh15中克隆到870 bp的mtf基因和1194 bp的mic基因，从Planktothricoides raciborskii CHAB 3331中克隆到864 bp的mtf和1170 bp的mic
- mtf与放线菌sco7701的DNA序列一致性为57.4%和59.4%，氨基酸一致性为52.2%和52.0%，mic与sco7700的DNA一致性为43.3%和44.8%
- 蓝藻Mic蛋白的Mg2+结合基序为DGYYAD/NDLISVAKD（Pseudanabaena）和DDYYAD/NDLISVNKD（Planktothricoides）
- 低光（10 μmol photons m−2 s−1）下mtf转录增加30%、mic增加60%，高光（60 μmol photons m−2 s−1）下mtf降低30%、mic降低50%
- 黑暗72 h后mtf和mic mRNA水平下降40%–80%。
研究结论
蓝藻和放线菌的2-MIB生物合成基因具有共同起源，但蓝藻形成了独特的进化分支，mtf、mic和两侧cnb基因构成可能的操纵子；光是调控该基因表达的关键但非唯一因素，其调控作用即时且短暂。