Catabolism of citronellol and related acyclic terpenoids in pseudomonads
- 作者
- Karin Förster-Fromme, Dieter Jendrossek
- 单位
- 德国斯图加特大学微生物学研究所；德国斯图加特-霍恩海姆大学营养医学研究所
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2010）
- DOI
- 10.1007/s00253-010-2644-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
无环单萜类化合物（如香茅醇）在假单胞菌中的分解代谢途径尚不完全清楚，其甲基支链结构导致生物降解困难，需阐明其代谢机制及生物转化潜力。
研究策略
综合历史生化研究结果与现代分子生物学手段（转座子突变、蛋白质组学、异源表达、酶活测定、电泳迁移率变动分析等），解析Atu和Liu途径的基因、酶及调控机制。
核心内容
该研究系统解析了假单胞菌中无环单萜类化合物香茅醇及其相关萜烯的分解代谢机制。通过整合转座子突变、蛋白质组学、异源表达和酶活测定等手段，明确了atu和liu两个基因簇的组成与功能。研究发现，AtuC/AtuF和LiuB/LiuD分别构成香叶酰辅酶A羧化酶和甲基巴豆酰辅酶A羧化酶，而AtuD和LiuA则对柠檬酰辅酶A和异戊酰辅酶A具有严格的底物专一性。一分子香茅醇经该双途径最终生成6分子乙酰辅酶A，其中约8.3%的碳原子来自二氧化碳固定，体现了β-甲基支链的羧化-裂解策略。酶活数据显示，法尼醇作为底物时部分纯化酶的活性约为香茅醇的40%，而甲基巴豆酰辅酶A仅为4%，表明途径对底物链长和支链结构有选择性。此外，AtuR被鉴定为TetR型阻遏蛋白，可特异性结合atuA-atuR基因间隔区，调控途径表达。铜绿假单胞菌中钼辅因子合成基因moeA2的突变导致菌株丧失香叶醇利用能力，但保留了香茅醇和香叶酸的代谢能力，揭示了不同底物氧化步骤的差异。该工作为萜烯类化合物的生物转化与降解提供了分子层面的理论依据。
创新点
首次系统阐明Atu和Liu基因簇的组成与功能；证实AtuC/AtuF和LiuB/LiuD分别为香叶酰-CoA羧化酶和甲基巴豆酰-CoA羧化酶亚基；发现AtuD和LiuA对支链底物的严格专一性；提出AtuA可能为HHG-CoA裂解酶；发现香叶醇氧化依赖钼辅因子。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuR | AtuR | 调控 | TetR型转录阻遏蛋白，负调控atu基因簇表达 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuA | AtuA | 催化 | 功能未知，推测可能为HHG-CoA裂解酶 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuB | AtuB | 催化 | 推定的脱氢酶，可能参与萜烯醇氧化 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuC | AtuC | 催化 | 香叶酰-CoA羧化酶（GCase）β亚基 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuD | AtuD | 催化 | 柠檬酰-CoA脱氢酶，特异性利用柠檬酰-CoA |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuE | AtuE | 催化 | 异己烯基戊二酰-CoA水合酶 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuF | AtuF | 催化 | 香叶酰-CoA羧化酶（GCase）α亚基 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuG | AtuG | 催化 | 推定的脱氢酶，功能未验证 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu pathway | atuH | AtuH | 催化 | 推测为酰基/柠檬酰-CoA合成酶 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Liu pathway | liuA | LiuA | 催化 | 异戊酰-CoA脱氢酶，特异性利用异戊酰-CoA |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Liu pathway | liuB | LiuB | 催化 | 甲基巴豆酰-CoA羧化酶（MCase）β亚基 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Liu pathway | liuC | LiuC | 催化 | 3-甲基戊二酰-CoA水合酶 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Liu pathway | liuD | LiuD | 催化 | 甲基巴豆酰-CoA羧化酶（MCase）α亚基 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Liu pathway | liuE | LiuE | 催化 | 3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA裂解酶（HMG-CoA裂解酶），可能具有HHG-CoA裂解酶双功能 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | Atu/Liu相关β-氧化 | PA1535 | AtuD2 | 催化 | 泛特异性酰基-CoA脱氢酶，可利用柠檬酰-CoA和辛酰-CoA |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | 萜烯醇氧化 | exaA (PA1982) | ExaA (QEDH) | 催化 | PQQ依赖的乙醇脱氢酶，底物谱广泛，包括香茅醇、香叶醇、柠檬醛等 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | 乙醛酸循环 | mqoB (PA4640) | MqoB | 催化 | 苹果酸:醌氧化还原酶，为C2化合物生长所需 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | 乙醛酸循环 | aceA (PA2634) | AceA | 催化 | 异柠檬酸裂解酶，为乙酸盐、无环萜烯和亮氨酸生长所需 |
| Pseudomonas aeruginosa PAO1 | 钼辅因子合成 | moeA2 (PA3028) | MoeA2 | 催化 | 钼辅因子生物合成蛋白A2，香叶醇利用所必需 |
| Pseudomonas citronellolis | Atu pathway | atuABCDEFGH | AtuA-H | 催化 | 与P. aeruginosa的Atu蛋白氨基酸一致性78%–91% |
| Pseudomonas fluorescens Pf-5 | Atu pathway | atuABCDEFGH | AtuA-H | 催化 | 基因组存在atu基因簇，但缺少atuG和atuH，不能利用香叶醇 |
| Pseudomonas sp. M1 | β-月桂烯降解 | myrD, myrABC | — | 催化 | 降解β-月桂烯，经β-氧化产生丙酰-CoA |
关键发现
- 一分子香茅醇（C10）经Atu和Liu途径最终生成6分子乙酰-CoA
- 12个碳原子中2个来自CO2固定（8.3%）。法尼醇（C15）作为底物时，部分纯化酶的总体活性约为香茅醇的40%，而甲基巴豆酰-CoA仅为4%。AtuC/AtuF对甲基巴豆酰-CoA有微弱活性，LiuB/LiuD对香叶酰-CoA无活性。AtuD特异性氧化柠檬酰-CoA，LiuA特异性氧化异戊酰-CoA，两者均不利用辛烯酰-CoA。P. aeruginosa的exaA（QEDH）突变体完全丧失乙醇生长能力，但在无环萜烯上生长受损。moeA2突变体不能利用香叶醇但仍能利用香茅醇和香叶酸。AtuR是一种TetR型阻遏蛋白，特异性结合atuA-atuR基因间隔区。P. citronellolis与P. aeruginosa的Atu蛋白氨基酸序列一致性为78%–91%。
研究结论
香茅醇等无环单萜在假单胞菌中通过由atu和liu基因簇编码的Atu和Liu途径降解，该过程涉及β-甲基支链的羧化-裂解策略，并产生乙酰-CoA。多种酶具有严格的底物特异性，且途径受AtuR调控。这些发现为萜烯类化合物的生物转化和降解提供了理论基础。