Heterologous expression of astaxanthin biosynthesis genes in Mucor circinelloides
- 作者
- Tamás Papp, Antonio Velayos, Tibor Bartók, Arturo P. Eslava, Csaba Vágvölgyi, Enrique A. Iturriaga
- 单位
- Department of Microbiology, Faculty of Sciences, University of Szeged, P.O. Box 533, 6701 Szeged, Hungary; Área de Genética, Departamento de Microbiología y Genética, Lab. 301, University of Salamanca, Avda. Campo Charro s/n, 37007 Salamanca, Spain; Analytical Laboratory of Cereal Research Non-profit Company, P.O. Box 391, 6701 Szeged, Hungary; Centro Hispano-Luso de Investigaciones Agrarias, University of Salamanca, Avda. Campo Charro s/n, 37007 Salamancan, Spain
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2005）
- DOI
- 10.1007/s00253-005-0026-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在Mucor circinelloides中异源表达细菌虾青素生物合成基因，以生产含氧类胡萝卜素（特别是虾青素）
研究策略
将A. aurantiacum的crtW和crtZ基因置于M. circinelloides强启动子gpd1控制下，构建自主复制型表达载体，通过PEG介导转化，筛选并分析转化体的类胡萝卜素组成
核心内容
本研究在丝状真菌Mucor circinelloides中实现了细菌来源虾青素生物合成基因的异源表达。研究者将Aurantiochytrium aurantiacum的crtW（β-胡萝卜素酮醇酶）和crtZ（β-胡萝卜素羟化酶）基因置于强启动子gpd1控制下，构建自主复制型表达载体，并通过PEG介导转化进入宿主。结果显示，仅表达crtW的转化体MS12-W可积累虾青素3 μg/g干重、角黄素6 μg/g、海胆酮17 μg/g，表明宿主内源羟化酶活性足以与异源酮醇酶协同完成虾青素合成。共转化crtW和crtZ的菌株总类胡萝卜素为210 μg/g干重，但所有转化体的主要产物仍是β-胡萝卜素（114–155 μg/g），异源基因表达水平有限。Southern和Northern分析证实质粒自主复制及异源转录成功。该研究首次在Mucor中实现细菌类胡萝卜素基因的表达，建立了多质粒共转化系统，证明利用宿主内源酶活性可简化外源途径构建，但需通过基因组整合或融合表达等策略进一步提升虾青素产量。
创新点
首次在Mucor中实现细菌类胡萝卜素基因的异源表达；建立了Mucor多质粒共转化系统；仅表达crtW即可产生虾青素，利用宿主内源羟化酶活性
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mucor circinelloides MS12 | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | — | — | leuA pyrG突变体，来源于CBS277.49，用于转化实验 |
| — | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtW | β-胡萝卜素酮醇酶 (CrtW) | 催化 | 来源于Agrobacterium aurantiacum，由M. circinelloides gpd1启动子和终止子控制表达 |
| — | 类胡萝卜素生物合成途径 | crtZ | β-胡萝卜素羟化酶 (CrtZ) | 催化 | 来源于Agrobacterium aurantiacum，由M. circinelloides gpd1启动子和终止子控制表达 |
关键发现
- 野生型MS12总类胡萝卜素223 μg/g干重，其中β-胡萝卜素128 μg/g，玉米黄质4 μg/g，β-隐黄质26 μg/g
- 仅表达crtZ的MS12-Z总类胡萝卜素249 μg/g，β-胡萝卜素146 μg/g，玉米黄质10 μg/g，β-隐黄质41 μg/g
- 仅表达crtW的MS12-W总类胡萝卜素231 μg/g，β-胡萝卜素155 μg/g，虾青素3 μg/g，角黄素6 μg/g，海胆酮17 μg/g，β-隐黄质20 μg/g
- 共转化crtW和crtZ的MS12-ZW总类胡萝卜素210 μg/g，β-胡萝卜素114 μg/g，虾青素2 μg/g，角黄素13 μg/g，海胆酮17 μg/g，β-隐黄质31 μg/g。转化效率：pPT50为51个转化子/10^5原生质体，pPT51为25个/10^5，共转化为93个/10^5。Southern分析表明质粒自主复制，Northern检测到异源转录。所有转化子仍以β-胡萝卜素为主要类胡萝卜素。
研究结论
在Mucor circinelloides中成功异源表达了A. aurantiacum的crtW和crtZ基因，产生了包括虾青素在内的新含氧类胡萝卜素。由于宿主天然存在β-胡萝卜素羟化酶活性，仅表达crtW即可导致虾青素积累。但异源基因表达水平有限，产物主要仍为β-胡萝卜素，需要进一步优化表达系统（如基因组整合或融合表达）以提高虾青素产量。