Carotenoid production and gene expression in an astaxanthin-overproducing Xanthophyllomyces dendrorhous mutant strain

作者: Lina M. Castelblanco-Matiz, Alejandra Barbachano-Torres, Teresa Ponce-Noyola, Ana C. Ramos-Valdivia, Carlos M. Cerda García-Rojas, César M. Flores-Ortiz, Salvador K. Barahona-Crisóstomo, Marcelo E. Baeza-Cancino, Jennifer Alcaíno-Gorman, Víctor H. Cifuentes-Guzmán
杂志: Archives of Microbiology（2015）
DOI: 10.1007/s00203-015-1153-9
所属领域: 代谢工程
关键词: AstaxanthinCarotenoid biosynthesisGene expressionMutationsOverproducer strainXanthophyllomyces dendrorhous
阅读原文: 查看 PDF 原文

解决的核心问题

分析虾青素过量生产突变株Xanthophyllomyces dendrorhous XR4中类胡萝卜素生物合成相关基因的表达水平和序列变化，揭示其过量积累类胡萝卜素和虾青素的潜在原因。

研究策略

比较野生型和XR4突变株的生长动力学、总类胡萝卜素和虾青素产量、六个类胡萝卜素生物合成基因（idi、crtE、crtYB、crtI、crtS、crtR）的mRNA表达水平，并分析这些基因的核苷酸序列差异。

研究路线图

100%

下载 .drawio 源文件

核心内容

该研究以虾青素过量生产突变株Xanthophyllomyces dendrorhous XR4为对象，通过比较其与野生型在生长动力学、类胡萝卜素及虾青素产量、六个类胡萝卜素生物合成基因（idi、crtE、crtYB、crtI、crtS、crtR）的mRNA表达水平及核苷酸序列差异，解析突变株过量积累类胡萝卜素的分子机制。结果显示，XR4在晚期稳定期（87 h）总类胡萝卜素含量达470.1 μg/g dcw，为野生型（99.2 μg/g dcw）的4.7倍，虾青素含量达403.9 μg/g dcw，约为野生型（45.9 μg/g dcw）的8.8倍。基因表达分析表明，XR4中crtE的mRNA水平在晚期稳定期较野生型高约3倍，crtS的mRNA水平为野生型的1.8–3.5倍。序列分析发现XR4的crtI基因存在Q5-K和H427-Q错义突变，crtR基因有122个核苷酸变化，crtYB上游区域有A-G转换形成CTCGA序列，crtR启动子区存在影响Mot3p和Yap1p结合位点的突变。该研究表明，XR4的类胡萝卜素过量产生至少部分归因于crtE和crtS转录水平上调，以及crtYB、crtI和crtR基因突变对生物合成途径的正向调控，为深入理解虾青素高产的遗传基础提供了依据。

创新点

首次报道了XR4突变株中类胡萝卜素生物合成基因的表达及序列突变，发现crtE和crtS转录水平升高以及crtYB、crtI和crtR的突变与其过量产生类胡萝卜素相关。

研究对象（6）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Xanthophyllomyces dendrorhous	类胡萝卜素生物合成途径	idi	异戊烯基焦磷酸异构酶	催化	编码IPP异构酶，催化IPP和DMAPP异构化；XR4中表达无明显规律，与类胡萝卜素积累无直接关联。
Xanthophyllomyces dendrorhous	类胡萝卜素生物合成途径	crtE	香叶基香叶基焦磷酸合酶	催化	催化GGPP合成，是类胡萝卜素途径的第一个特异性步骤；XR4中表达持续升高，晚期稳定期为野生型的约3倍。
Xanthophyllomyces dendrorhous	类胡萝卜素生物合成途径	crtYB	八氢番茄红素合酶-番茄红素环化酶	催化	双功能酶，具有八氢番茄红素合酶和番茄红素环化酶活性；XR4中表达下降，其启动子区发现CTCGA序列突变。
Xanthophyllomyces dendrorhous	类胡萝卜素生物合成途径	crtI	八氢番茄红素脱饱和酶	催化	催化八氢番茄红素脱饱和；XR4中发现Q5-K和H427-Q两个错义突变，可能影响蛋白稳定性。
Xanthophyllomyces dendrorhous	类胡萝卜素生物合成途径	crtS	虾青素合酶	催化	细胞色素P450酶，催化β-胡萝卜素转化为虾青素；XR4中表达持续升高，为野生型的1.8-3.5倍。
Xanthophyllomyces dendrorhous	类胡萝卜素生物合成途径	crtR	细胞色素P450还原酶	催化	为CrtS提供电子；XR4中有大量突变，包括启动子区影响Mot3p和Yap1p结合位点的突变，以及T111插入、Y156-D、N521-T等氨基酸改变。

关键发现

XR4突变株在晚期稳定期（87 h）总类胡萝卜素含量达470.1 μg/g dcw，是野生型（99.2 μg/g dcw）的4.7倍
虾青素含量在XR4中为403.9 μg/g dcw，约为野生型（45.9 μg/g dcw）的8.8倍。XR4的crtE mRNA水平在晚期稳定期较野生型高约3倍，crtS mRNA水平为野生型的1.8-3.5倍。序列分析发现XR4的crtI基因存在Q5-K和H427-Q错义突变，crtR基因有122个核苷酸变化（包括T111插入、Y156-D、N521-T），crtYB上游区域有A-G转换（形成CTCGA序列），crtR启动子区有影响Mot3p和Yap1p结合位点的突变。

研究结论

XR4菌株的类胡萝卜素过量产生至少部分归因于crtE和crtS转录水平上调，以及crtYB、crtI和crtR基因的突变，这些因素共同对类胡萝卜素生物合成途径产生正调控作用。