Amplification of HMG-CoA Reductase Production Enhances Carotenoid Accumulation in Neurospora crassa
- 作者
- Guang-Yi Wang, Jay D. Keasling
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of California at Berkeley
- 杂志
- Metabolic Engineering（2002）
- DOI
- 10.1006/mben.2002.0225
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
粗糙脉孢菌天然积累番茄红素和神经孢黄素，但产量有限；如何通过代谢工程增强类胡萝卜素生物合成通量
研究策略
在粗糙脉孢菌中过表达酿酒酵母HMG1基因编码的HMG-CoA还原酶催化结构域（cHMG1），分别置于强组成型GPD启动子和诱导型alcA启动子控制下，以增加甲羟戊酸途径通量
研究路线图
核心内容
该研究在粗糙脉孢菌中通过过表达酿酒酵母HMG-CoA还原酶的催化结构域（cHMG1）来增强甲羟戊酸途径通量，从而提高类胡萝卜素产量。将cHMG1分别置于强组成型GPD启动子和可诱导的alcA启动子控制下，其中alcA启动子首次在该菌中应用，且异源催化结构域可规避天然反馈调控。结果显示，GPD启动子驱动使番茄红素和神经孢黄素产量分别提高6倍和1.5倍；alcA启动子经苏氨酸诱导后分别提高约3倍和2倍。在最优菌株中，番茄红素含量达17.9 μg/g干重，神经孢黄素达63.4 μg/g干重。此外，用20 mM丁酮诱导alcA启动子时，番茄红素产量达到未诱导的3倍。这表明HMG-CoA还原酶是类胡萝卜素合成的限速步骤，过表达其催化结构域能显著提升产物积累，粗糙脉孢菌可作为生产异戊二烯类化合物的有效宿主。
创新点
首次在粗糙脉孢菌中成功应用代谢工程提升类胡萝卜素产量；首次在粗糙脉孢菌中使用来自构巢曲霉的可诱导alcA启动子；利用异源HMG-CoA还原酶催化结构域避免天然调控反馈
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Neurospora crassa | 甲羟戊酸途径 | HMG1 | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（催化结构域cHMG1） | 催化 | 来自酿酒酵母，过表达其催化结构域以提高甲羟戊酸供给 |
| Neurospora crassa | 类胡萝卜素生物合成途径 | al-1 | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素逐步脱氢生成番茄红素等 |
| Neurospora crassa | 类胡萝卜素生物合成途径 | al-2 | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸缩合生成八氢番茄红素 |
| Neurospora crassa | 类胡萝卜素生物合成途径 | al-3 | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（三功能酶） | 催化 | 催化IPP转化为GGPP，包含牻牛儿基转移酶和法尼基转移酶活性 |
| Neurospora crassa | 类胡萝卜素生物合成途径 | ylo-1 | 黄-1蛋白 | 催化 | 可能催化番茄红素脱氢或γ-胡萝卜素氧化为神经孢黄素 |
| Neurospora crassa | 调控 | gpd | 甘油醛-3-磷酸脱氢酶启动子 | 调控 | 来自构巢曲霉的强组成型启动子，用于驱动cHMG1表达 |
| Neurospora crassa | 调控 | alcA | 乙醇脱氢酶启动子 | 调控 | 来自构巢曲霉的可诱导启动子，用苏氨酸或丁酮诱导 |
关键发现
- GPD启动子驱动cHMG1过表达使番茄红素和神经孢黄素产量分别提高6倍和1.5倍
- alcA启动子（苏氨酸诱导）使番茄红素和神经孢黄素产量分别提高约3倍和2倍（相对各自对照）
- CJ44A中神经孢黄素含量为43.8 μg/g干重，CJ44G为63.4 μg/g干重
- 番茄红素含量CJ44A为10.28 μg/g干重，CJ44G为17.9 μg/g干重
- 用丁酮诱导alcA启动子时，20 mM丁酮使番茄红素产量达到未诱导的3倍，神经孢黄素达到2倍
研究结论
HMG-CoA还原酶是类胡萝卜素生物合成的限速步骤，过表达其催化结构域可显著提高粗糙脉孢菌中番茄红素和神经孢黄素的积累；粗糙脉孢菌可作为生产异戊二烯类化合物的有效宿主