Genome rearrangements of Streptomyces albus J1074 lead to the carotenoid gene cluster activation
- 作者
- Maksym Myronovskyi, Bogdan Tokovenko, Elke Brotz, Christian Ruckert, Jorn Kalinowski, Andriy Luzhetskyy
- 单位
- Helmholtz Institute for Pharmaceutical Research Saarland, Saarbrucken, Germany; Institute for Genome Research and Systems Biology, CeBiTec, Bielefeld University, Bielefeld, Germany
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s00253-013-5440-6
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
评估S. albus J1074染色体亚端粒区域的可删除性，构建基因组缩减菌株以优化异源宿主，并解析自发突变中类胡萝卜素基因簇激活的机制。
研究策略
利用loxP/Cre重组系统进行大片段定向删除，逐步实现染色体缩减和环化；结合基因组测序、转录组分析和代谢物检测，解析突变体表型与基因组重排的关系。
核心内容
该研究以白色链霉菌J1074为对象，利用loxP/Cre重组系统开展染色体靶向删除与基因组缩减，评估亚端粒区域的可删性并解析自发突变激活沉默类胡萝卜素基因簇的机制。通过逐步删除，构建了染色体环化菌株Del2，相对野生型共减少307 kb；右端0.42 Mb区域可完全删除，而左端因含L-苏氨酸醛缩酶等必需基因仅末端42 kb可去除。研究还分离到两个自发突变体Pink和Orange，二者均缺失约420 kb右端末端区域，并伴随类胡萝卜素基因簇扩增137–173倍，相关基因表达上调最高达110倍，分别积累约90 mg/L番茄红素和约210 mg/L异海绵烯。竞争实验显示两突变体适应度代价分别为s=-1.46和s=-1.08。结果表明，大片段缺失引发的基因簇扩增是激活沉默类胡萝卜素代谢的唯一原因，但基因组重排普遍伴随适应度下降，为优化异源表达宿主提供了基因组可塑性边界和代价权衡的重要参考。
创新点
构建了染色体环化的基因组缩减菌株Del2（减少307 kb）；确定了右端0.42 Mb区域可删除而左端仅42 kb可删除；获得两个自发突变体Pink和Orange，其类胡萝卜素基因簇因扩增而激活，分别积累番茄红素和异海绵烯。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces albus J1074 | — | — | — | — | 野生型菌株，线性染色体6.841 Mb，左右端粒臂分别约0.3和0.4 Mb |
| Streptomyces albus Del1 | — | — | — | — | 删除右臂204 kb片段（含两个PKS-NRPS基因簇），染色体仍为线性 |
| Streptomyces albus Del2 | — | — | — | — | 染色体环化，相对J1074总减少307 kb（左端删42 kb，右端在Del1基础上再删60 kb） |
| Streptomyces albus Pink | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | — | 自发突变体，缺失右端422,388 bp，类胡萝卜素基因簇扩增（AUD约14.5 kb，crtY截断），产番茄红素，粉红色 |
| Streptomyces albus Orange | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | — | 自发突变体，缺失右端420,240 bp，类胡萝卜素基因簇扩增（AUD约11.5 kb，完整），产异海绵烯，橙红色 |
| Streptomyces albus J1074 | 类胡萝卜素生物合成（异海绵烯） | crtE, crtI, crtB, crtV | CrtE, CrtI, CrtB, CrtV | 催化 | 趋同操纵子crtEIBV，编码GGPP合酶、八氢番茄红素合酶/脱氢酶等，参与类胡萝卜素骨架合成 |
| Streptomyces albus J1074 | 类胡萝卜素生物合成（异海绵烯） | crtY, crtU | CrtY, CrtU | 催化 | 趋同操纵子crtYU，CrtY为番茄红素环化酶，CrtU参与β-胡萝卜素末端芳香化生成异海绵烯 |
| Streptomyces albus Pink | 类胡萝卜素生物合成 | crtY（截断） | 截短的CrtY（番茄红素环化酶） | 催化 | 扩增区内crtY基因截断，丧失环化活性，导致番茄红素积累 |
| Streptomyces albus J1074 | 甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢 | XNR_0091 | L-苏氨酸醛缩酶 | 催化 | 位于左端臂260 kb区域内，单拷贝且高表达，可能是左臂删除限制的关键必需基因 |
| Streptomyces albus J1074（异源表达） | — | cre | Cre重组酶 | 催化 | 由pUWLcre表达，介导loxP位点间重组，用于基因组删除和染色体环化 |
关键发现
- S. albus J1074染色体为6.841 Mb，左右端粒臂分别为0.3和0.4 Mb。通过loxP/Cre系统删除204 kb片段（Del1），随后实现染色体环化（Del2），相对野生型共减少307 kb。自发突变体Pink和Orange分别缺失422,388 bp和420,240 bp的右端末端区域，并伴随类胡萝卜素基因簇（AUD分别为14.504 kb和11.487 kb）扩增，覆盖度差异达137–173倍，基因表达上调最高110倍。Pink产约90 mg/L类胡萝卜素（主要为番茄红素），Orange产约210 mg/L类胡萝卜素（主要为异海绵烯）。竞争实验测得Pink和Orange的适应度代价分别为s=-1.46±0.16和s=-1.08±0.04
- Del2孢子效价约为野生型的1/100。
研究结论
S. albus J1074右端染色体的0.42 Mb区域在实验室条件下是非必需的，而左端端粒臂含有必需基因（如L-苏氨酸醛缩酶），仅末端42 kb可删除。自发的大片段缺失引发类胡萝卜素基因簇的扩增，是激活沉默类胡萝卜素基因簇并导致色素过生产的唯一原因。基因组重排菌株均表现出不同程度的适应度下降。