Important Role of Catalase in the Production of β-carotene by Recombinant Saccharomyces cerevisiae under H2O2 Stress
- 作者
- Guo-liang Yan, Heng-yu Liang, Zhi-qun Wang, Xiao-fan Yang, Dan Liu, Jin-fu Liu, Chang-qing Duan
- 杂志
- Current Microbiology（2010）
- DOI
- 10.1007/s00284-010-9826-8
- 所属领域
- 代谢工程/合成生物学
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解决的核心问题
研究过氧化氢（H2O2）胁迫下过氧化氢酶（catalase）对重组酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）β-胡萝卜素（β-carotene）生产的影响，特别是胞质过氧化氢酶缺失对细胞生长和β-胡萝卜素产量的影响。
研究策略
构建产β-胡萝卜素的重组酿酒酵母CFW-01，并通过敲除胞质过氧化氢酶基因CTT1获得CFW-01 ctt1Δ突变株；在摇瓶中比较不同H2O2浓度（0.5、1.0、2.0 mM）处理下两种菌株的细胞生长、β-胡萝卜素产量和过氧化氢酶活性。
核心内容
该研究通过构建产β-胡萝卜素的重组酿酒酵母CFW-01，并敲除胞质过氧化氢酶基因CTT1获得突变株CFW-01 ctt1Δ，比较了不同H2O2浓度处理下两菌株的生长、β-胡萝卜素产量及过氧化氢酶活性。结果显示，0.5和1.0 mM H2O2可显著刺激β-胡萝卜素产生；在0.5和1 mM H2O2下，突变株β-胡萝卜素水平分别比野生型低16.7%和36.7%。无胁迫时两菌株最大产量分别为2.57和2.16 mg/g干重，添加1 mM H2O2后分别提高108.9%和71.7%。突变株过氧化氢酶活性在12 h和16 h时仅为野生型的42.8%和62.4%，而2 mM H2O2导致两菌株产量和酶活性显著下降。结果表明，β-胡萝卜素在缺失胞质过氧化氢酶时可作为抗氧化剂减轻氧化损伤，但过氧化氢酶对H2O2胁迫下的正常生产仍至关重要，若不能及时分解H2O2，产生的羟基自由基会降低β-胡萝卜素浓度。这提示利用H2O2胁迫促进β-胡萝卜素生产时需综合考虑胁迫水平与细胞过氧化氢酶活性。
创新点
首次利用基因工程改造的产β-胡萝卜素酿酒酵母敲除胞质过氧化氢酶，直接评估抗氧化酶活性差异对氧化胁迫下β-胡萝卜素生产的影响，并揭示β-胡萝卜素与过氧化氢酶在抗氧化中的互补关系。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtYB | 双功能植物烯合酶/番茄红素环化酶 | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，催化β-胡萝卜素合成中的环化步骤 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtI | 植物烯脱饱和酶 | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，引入脱饱和反应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtE | 异源GGPP合酶 | 催化 | 来自Xanthophyllomyces dendrorhous，提供类异戊二烯前体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 抗氧化防御系统 | CTT1 | 胞质过氧化氢酶 | 催化 | 酿酒酵母主要过氧化氢酶，被敲除以研究其对β-胡萝卜素生产的影响 |
| Saccharomyces cerevisiae | 抗氧化防御系统 | CTA1 | 过氧化物酶体过氧化氢酶 | 催化 | 残余过氧化氢酶活性来源，在CTT1敲除后仍存在 |
关键发现
- 5和1.0 mM H2O2可显著刺激β-胡萝卜素产生
- 在0.5和1 mM H2O2下，CFW-01 ctt1Δ的β-胡萝卜素水平分别比CFW-01低16.7%和36.7%
- 无H2O2时，CFW-01和CFW-01 ctt1Δ的最大β-胡萝卜素产量分别为2.57 mg/g dry weight和2.16 mg/g dry weight（14 h）
- 添加1 mM H2O2后，CFW-01和CFW-01 ctt1Δ的β-胡萝卜素最大产量分别比未处理组提高108.9%和71.7%
- CFW-01 ctt1Δ的过氧化氢酶活性在培养12 h和16 h时分别仅为CFW-01的42.8%和62.4%
- 2 mM H2O2导致两种重组酵母的β-胡萝卜素产量和过氧化氢酶活性显著下降。
研究结论
β-胡萝卜素在缺失胞质过氧化氢酶时能作为抗氧化剂保护重组酵母免受H2O2氧化损伤，但过氧化氢酶在H2O2胁迫下对β-胡萝卜素的正常生产仍至关重要；若过氧化氢酶不能及时分解H2O2，产生的羟基自由基（OH·）会降低β-胡萝卜素浓度。因此，通过H2O2胁迫生产β-胡萝卜素时，不仅需考虑氧化胁迫水平，还需考虑细胞过氧化氢酶活性。