南京大学和江苏省海洋研究所建立基于蓝细菌的类胡萝卜素代

发布时间：2019-09-05 23:04:43 来源：自考网

类胡萝卜素不仅是重要的光合与光保护色素，也是重要的营养成分。此外，一些物种还能够合成诸如虾青素(astaxanthin)、莴苣黄素(lactucaxanthin)等独特的类胡萝卜素。对相关代谢途径进行解析有赖于酶的克隆和功能鉴定。除了常规通过拟南芥突变体进行功能鉴定外，Cunningham等使用来自微生物的一个类胡萝卜素合成基因簇构建了一系列的载体，在大肠杆菌中合成各类底物供酶活鉴定。该系统得到了广泛的应用。但是无论拟南芥还是大肠杆菌系统都有一定的不足之处。例如前者存在较为复杂的类胡萝卜素合成背景，而且对类胡萝卜素代谢的改造可能会导致植物的生长受抑。后者可能缺乏一定的辅助因子，导致一些酶无法进行催化反应。

近日，南京大学和江苏省海洋研究所共同在Plant Biotechnology Journal上以“Manipulation of Synechocystis sp. PCC6803 as a platform for functional identification of genes involved in carotenoid metabolism”为题，发表了以蓝细菌为基础的新的功能鉴定系统。

考虑到植物在叶绿体中合成类胡萝卜素，而蓝细菌可能与叶绿体具有较为接近的内部环境，该研究选取蓝细菌集胞藻(Synechocystissp. PCC6803)开展了相应的代谢改造工作。集胞藻自身能够合成四种较为简单的类胡萝卜素：β-胡萝卜素(β-carotene)、蓝藻叶黄素(myxoxanphophyll)、玉米黄素(zeaxanthin)以及海胆酮(echinenone)。通过同源重组的方法，本研究利用一个卡那霉素抗性基因替换了其中通往海胆酮合成的胡萝卜素羟化酶基因(CrtO)，进一步简化了其类胡萝卜素的组成；通过转入玉米黄素环氧化酶基因(ZEP)，在集胞藻中将玉米黄素进一步氧化产生了堇菜黄素(violaxanthin)；通过转入番茄红素ε-环化酶(Lut2)和胡萝卜素ε-羟化酶(Lut1)基因在集胞藻中构建了叶黄质(lutein)的合成途径。本研究证明通过代谢改造能够在集胞藻中合成高等植物中常见的主要类胡萝卜素成分，从而为后续的酶活鉴定工作提供底物。

通过引入来自雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)和海云台副球菌(Paracoccus haeundaensis)的β-胡萝卜素酮基转移酶，在本系统中能够合成角黄素(canthaxanthin)。但蓝细菌自身的CrtR无法将其羟化成为虾青素。另外，可能因为缺乏互作蛋白的原因，本系统尚不能利用堇菜黄素合成新黄素(neoxanthin)。

蓝细菌能够自养或者异养生长，一方面其能够在自养状态下不断合成类胡萝卜素，另一方面对其类胡萝卜素代谢途径的改造也不会对生长产生致命的影响。在用于酶活鉴定之外，对该系统的进一步优化也有望使之成为合成生物学工作新的底盘。

博士研究生曹天骏为本文第一作者。江苏海洋水产研究生杨立恩博士和南京大学卢山教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/pbi.13245

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