Phân tích cấu trúc và chức năng của cụm gen tổng hợp carotenoid từ vi khuẩn biển và con đường tổng hợp astaxanthin được đề xuất ở cấp độ gen
Tóm tắt
Một cụm gen tổng hợp carotenoid để sản xuất astaxanthin đã được phân lập từ vi khuẩn biển Agrobacterium aurantiacum. Cụm gen này chứa năm gen carotenogenic có cùng hướng, được chỉ định là crtW, crtZ, crtY, crtI và crtB. Các mã dừng của các gen crt riêng biệt ngoại trừ crtB giao thoa với các mã khởi đầu của các gen crt tiếp theo. Các biến dạng Escherichia coli mang các gen tổng hợp carotenoid của Erwinia uredovora cung cấp các chất nền phù hợp cho quá trình tổng hợp carotenoid. Chức năng của năm gen crt của A. aurantiacum được xác định thông qua các phân tích sắc ký và quang phổ của các sắc tố tích lũy trong một số biến dạng E. coli mang các tổ hợp khác nhau của các gen carotenogenic E. uredovora và A. aurantiacum. Do đó, con đường tổng hợp astaxanthin lần đầu tiên được đề xuất ở cấp độ các gen tổng hợp. Sản phẩm gen crtW và crtZ, có vai trò trung gian trong các phản ứng oxy hóa từ beta-carotene đến astaxanthin, cho thấy tính chuyên đặc vật chất nền thấp. Điều này cho phép sản xuất nhiều trung gian được cho là của astaxanthin, tức là adonixanthin, phoenicoxanthin (adonirubin), canthaxanthin, 3'-hydroxyechinenone và 3-hydroxyechinenone.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Andrewes , A. G. , G. Borch , S. Liaaen-Jensen , and G. Snatzke . 1974 . Animal carotenoids. 9. On the absolute configuration of astaxanthin and actinioerythrin . Acta Chem. Scand. Ser. B 28 : 730 - 736 .
Arai , S. , T. Mori , W. Miki , K. Yamaguchi , S. Konosu , M. Satake , and T. Fujita . 1987 . Pigmentation of juvenile coho salmon with carotenoid oil extracted from Antarctic krill . Aquaculture 66 : 255 - 264 .
Armstrong , G. A. 1994 . Eubacteria show their true colors: genetics of carotenoid pigment biosynthesis from microbes to plants . J. Bacteriol. 176 : 4795 - 4802 .
Armstrong , G. A. , M. Alberti , and J. E. Hearst . 1990 . Conserved enzymes mediate the early reactions of carotenoid biosynthesis in nonphotosynthetic prokaryotes . Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87 : 9975 - 9979 .
Armstrong , G. A. , M. Alberti , F. Leach , and J. E. Hearst . 1989 . Nucleotide sequence, organization and nature of the protein products of the carotenoid biosynthesis gene cluster of Rhodobacter capsulatus . Mol. Gen. Genet. 216 : 254 - 268 .
Bartley , G. E. , and P. A. Scolnik . 1989 . Carotenoid biosynthesis in photosynthetic bacteria . J. Biol. Chem. 264 : 13109 - 13113 .
Bartley , G. E. , P. V. Viitanen , K. O. Bacot , and P. A. Scolnik . 1992 . A tomato gene expressed during fruit ripening encodes an enzyme of the carotenoid biosynthesis pathway . J. Biol. Chem. 267 : 5036 - 5039 .
Bartley , G. E. , P. V. Viitanen , I. Pecker , D. Chamovitz , J. Hirschberg , and P. A. Scolnik . 1991 . Molecular cloning and expression in photosynthetic bacteria of a soybean cDNA coding for phytoene desaturase, an enzyme of the carotenoid biosynthesis pathway . Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88 : 6532 - 6536 .
Bouvier , F. , P. Hugueney , A. d' Harlingue , M. Kuntz , and B. Camara . 1994 . Xanthophyll biosynthesis in chromoplasts: isolation and molecular cloning of an enzyme catalyzing the conversion of 5,6-epoxycarotenoid into ketocarotenod . Plant J. 6 : 45 - 54 .
Cerdá-Olmedo , E. 1994 . The genetics of chemical diversity . Crit. Rev. Microbiol. 20 : 151 - 160 .
Chamovitz , D. , N. Misawa , G. Sandmann , and J. Hirschberg . 1992 . Molecular cloning and expression in Escherichia coli of a cyanobacterial gene coding for phytoene synthase, a carotenoid biosynthesis enzyme . FEBS Lett. 296 : 305 - 310 .
Chamovitz , D. , I. Pecker , and J. Hirschberg . 1991 . The molecular basis of resistance to the herbicide norflurazon . Plant Mol. Biol. 16 : 967 - 974 .
Cunningham , F. X. , Jr. , D. Chamovitz , N. Misawa , E. Gantt , and J. Hirschberg . 1993 . Cloning and functional expression in Escherichia coli of a cyanobacterial gene for Iycopene cyclase, the enzyme that catalyzes the biosynthesis of ~-carotene . FEBS Lett. 328 : 130 - 138 .
Cunningham , F. X. , Jr. , Z. Sun , D. Chamovitz , J. Hirschberg , and E. Gantt . 1994 . Molecular structure and enzymatic function of Iycopene cyclase from the cyanobacterium Synechococcus sp strain PCC7942 . Plant Cell 6 : 1107 - 1121 .
Ehrenshaft , M. , and M. E. Daub . 1994 . Isolation, sequence, and characterization of the Cercospora nicotianae phytoene dehydrogenase gene . Appl. Environ. Microbiol. 60 : 2766 - 2771 .
Fontes , M. , R. Ruiz-Vázquez , and F. J. Murillo . 1993 . Growth phase dependence of the activation of a bacterial gene for carotenoid synthesis by blue light . EMBO J. 12 : 1265 - 1275 .
Fraser , P. D. , N. Misawa , H. Linden , S. Yamano , K. Kobayashi , and G. Sandmann . 1992 . Expression in Escherichia coli, purification, and reactivation of the recombinant Erwinia uredovora phytoene desaturase . J. Biol. Chem. 267 : 19891 - 19895 .
Fujita , T. , M. Satake , T. Watanabe , C. Kitajima , M. Takeda , S. Shimeno , H. Kuwabara , W. Miki , K. Yamaguchi , and S. Konosu . 1983 . Pigmentation of cultured red sea bream with astaxanthin diester purified from krill oil . Bull. Jpn. Soc. Sci. Fish. 49 : 1855 - 1861 .
Grung , M. , F. M. L. D'Souza , M. Borowitzka , and S. Liaaen-Jensen . 1992 . Algal carotenoids. 51. Secondary carotenoids. 2. Haematococcus pluvialis aplanospores as a source of (3S,3~S)-astaxanthin esters . J. Appl. Phycol. 4 : 165 - 171 .
Hoshino , T. , R. Fujii , and T. Nakahara . 1993 . Molecular cloning and sequence analysis of the crtB gene of Thermus thermophilus HB27, an extreme thermophile producing carotenoid pigments . Appl. Environ. Microbiol. 59 : 3150 - 3153 .
Hugueney , P. , S. Römer , M. Kuntz , and B. Camara . 1992 . Characterization and molecular cloning of a flavoprotein catalyzing the synthesis of phytofluene and ~-carotene in Capsicum chromoplasts . Eur. J. Biochem. 209 : 399 - 407 .
Hundle , B. S. , M. Alberti , V. Nievelstein , P. Beyer , H. Kleinig , G. A. Armstrong , D. H. Burke , and J. E. Hearst . 1994 . Functional assignment of Erwinia herbicola Eho10 carotenoid genes expressed in Escherichia coli . Mol. Gen. Genet. 245 : 406 - 416 .
Hundle , B. S. , P. Beyer , H. Kleinig , G. Englert , and J. E. Hearst . 1991 . Carotenoids of Erwinia herbicola and an Escherichia coli HB101 strain carrying the Erwinia herbicola carotenoid gene cluster . Photochem. Photobiol. 54 : 89 - 93 .
Hundle , B. S. , D. A. O'Brien , M. Alberti , P. Beyer , and J. E. Hearst . 1992 . Functional expression of zeaxanthin glucosyltransferase from Erwinia herbicola and a proposed uridine diphosphate binding site . Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 : 9321 - 9325 .
Hundle , B. S. , D. A. O'Brien , P. Beyer , H. Kleinig , and J. E. Hearst . 1993 . In vitro expression and activity of Iycopene cyclase and ~-carotene hydroxylase from Erwinia herbicola . FEBS Lett. 315 : 329 - 334 .
Johnson , E. A. , and G. -H. An . 1991 . Astaxanthin from microbial sources . Crit. Rev. Biotechnol. 11 : 297 - 326 .
Jyonouchi , H. , R. J. Hill , Y. Tomita , and R. A. Good . 1991 . Studies of immunomodulating actions of carotenoids. I. Effects of ~-carotene and astaxanthin on murine Iymphocyte functions and cell surface marker expression in in vivo culture system . Nutr. Cancer 16 : 93 - 105 .
Jyonouchi , H. , L. Zhang , and Y. Tomita . 1993 . Studies of immunomodulating actions of carotenoids. II. Astaxanthin enhances in vivo antibody production to T-dependent antigens without facilitating polyclonal B-cell activation . Nutr. Cancer 19 : 269 - 280 .
Kajiwara S. T. Kakizono T. Saito K. Kondo T. Ohtani N. Nishio S. Nagai and N. Misawa. Isolation and functional identification of a novel cDNA for astaxanthin biosynthesis from Haematococcus pluvialis and astaxanthin synthesis in Escherichia coli. Plant Mol. Biol. in press.
Krinsky N. I. 1989. Carotenoids in medicine p. 279-291. In N. I. Krinsky M. M. Mathews-Roth and R. F. Taylor (ed.) Carotenoids. Chemistry and biochemistry. Plenum Press New York.
Lang , H. P. , R. J. Cogdell , A. T. Gardiner , and C. N. Hunter . 1994 . Early steps in carotenoid biosynthesis: sequences and transcriptional analysis of the crtI and crtB genes of Rhodobacter sphaeroides and overexpression and reactivation of crtI in Escherichia coli and R. sphaeroides . J. Bacteriol. 176 : 3859 - 3869 .
Linden , H. , N. Misawa , D. Chamovitz , I. Pecker , J. Hirschberg , and G. Sandmann . 1991 . Functional complementation in Escherichia coli of different phytoene desaturase genes and analysis of accumulated carotenes . Z. Naturforsch. Teil C 46 : 1045 - 1051 .
Linden , H. , N. Misawa , T. Saito , and G. Sandmann . 1994 . A novel carotenoid biosynthesis gene coding for ~-carotene desaturase: functional expression, sequence and phylogenetic origin . Plant Mol. Biol. 24 : 369 - 379 .
Lotan , T. , and J. Hirschberg . 1995 . Cloning and expression in Escherichia coli of the gene encoding ~-C-4-oxygenase, that converts ~-carotene to the ketocarotenoid canthaxanthin in Haematococcus pluvialis . FEBS Lett. 364 : 125 - 128 .
Math , S. K. , J. E. Hearst , and C. D. Poulter . 1992 . The crtE gene in Erwinia herbicola encodes geranylgeranyl diphosphate synthase . Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 : 6761 - 6764 .
Matsuno , T. 1985 . New structures of carotenoids in marine animals . Pure Appl. Chem. 57 : 659 - 666 .
Matsuno T. 1989. Animal carotenoids p. 59-74. In N. I. Krinsky M. M. Mathews-Roth and R. F. Taylor (ed.) Carotenoids. Chemistry and biochemistry. Plenum Press New York.
Miki , W. 1991 . Biological functions and activities of animal carotenoids . Pure Appl. Chem. 63 : 141 - 146 .
Miki , W. , N. Otaki , N. Shimidzu , and A. Yokoyama . 1994 . Carotenoids as free radical scavengers in marine animals . J. Mar. Biotechnol. 2 : 35 - 37 .
Miki , W. , N. Otaki , A. Yokoyama , H. Izumida , and N. Shimidzu . 1994 . Okadaxanthin, a novel C50-carotenoid from a bacterium, Pseudomonas sp. KK10206C associated with marine sponge, Halichondria okadai . Experientia 50 : 684 - 686 .
Miki , W. , K. Yamaguchi , and S. Konosu . 1982 . Comparison of carotenoids in the ovaries of marine fish and shellfish . Comp. Biochem. Physiol. 71B : 7 - 11 .
Miki , W. , K. Yamaguchi , S. Konosu , and T. Watanabe . 1984 . Metabolism of dietary carotenoids to eggs in red sea bream . Comp. Biochem. Physiol. 77B : 665 - 668 .
Misawa , N. , S. Kajiwara , K. Kondo , A. Yokoyama , Y. Satomi , T. Saito , W. Miki , and T. Ohtani . 1995 . Canthaxanthin biosynthesis by the conversion of methylene to keto groups in a hydrocarbon ~-carotene by a single gene . Biochem. Biophy. Res. Commun. 209 : 867 - 876 .
Misawa , N. , M. Nakagawa , K. Kobayashi , S. Yamano , Y. Izawa , K. Nakamura , and K. Harashima . 1990 . Elucidation of the Erwinia uredovora carotenoid biosynthetic pathway by functional analysis of gene products expressed in Escherichia coli . J. Bacteriol. 172 : 6704 - 6712 .
Misawa , N. , M. R. Truesdale , G. Sandmann , P. D. Fraser , C. Bird , W. Schuch , and P. Bramley . 1994 . Expression of a tomato cDNA coding for phytoene synthase in Escherichia coli, phytoene formation in vivo and in vitro, and functional analysis of the various truncated gene products . J. Biochem. 116 : 980 - 985 .
Nakagawa , M. , and N. Misawa . 1991 . Analysis of carotenoid glycosides produced in gram-negative bacteria by introduction of the Erwinia uredovora carotenoid biosynthesis genes . Agric. Biol. Chem. 55 : 2147 - 2148 .
Pecker , I. , D. Chamovitz , H. Linden , G. Sandmann , and J. Hirschberg . 1992 . A single polypeptide catalyzing the conversion of phytoene to ~-carotene is transcriptionally regulated during tomato fruit ripening . Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 : 4962 - 4966 .
Pfander H. 1987. Key to carotenoids. Birkhäuser Verlag Basel.
Ray , J. , C. Bird , M. Maunders , D. Grierson , and W. Schuch . 1987 . Sequence of pTOM5, a ripening related cDNA from tomato . Nucleic Acids Res. 15 : 10587 .
Römer , S. , P. Hugueney , F. Bouvier , B. Camara , and M. Kuntz . 1993 . Expression of the genes encoding the early carotenoid biosynthetic enzymes in Capsicum annuum . Biochem. Biophy. Res. Commun. 196 : 1414 - 1421 .
Sambrook J. E. F. Fritsch and T. Maniatis. 1989. Molecular cloning: a laboratory manual 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press Cold Spring Harbor N.Y.
Sandmann , G. 1994 . Carotenoid biosynthesis in microorganisms and plants . Eur. J. Biochem. 223 : 7 - 24 .
Sandmann , G. , and N. Misawa . 1992 . New functional assignment of the carotenogenic genes crtB and crtE with constructs of these genes from Erwinia species . FEMS Microbiol. Lett. 90 : 253 - 258 .
Schmidhauser , T. J. , F. R. Lauter , V. E. A. Russo , and C. Yanofsky . 1990 . Cloning, sequence, and photoregulation of aI-1, a carotenoid biosynthetic gene of Neurospora crassa . Mol. Cell. Biol. 10 : 5064 - 5070 .
Schmidhauser , T. J. , F. R. Lauter , M. Schumacher , W. Zhou , V. E. A. Russo , and C. Yanofsky . 1994 . Characterization of aI-2, the phytoene synthase gene of Neurospora crassa . J. Biol. Chem. 269 : 12060 - 12066 .
Scolnik , P. A. , and G. E. Bartley . 1994 . Nucleotide sequence of an Arabidopsis cDNA for phytoene synthase . Plant Physiol. 104 : 1471 - 1472 .
Tanaka , T. , Y. Morishita , M. Suzui , T. Kojima , A. Okumura , and H. Mori . 1994 . Chemoprevention of mouse urinary bladder carcinogenesis by the naturally occurring carotenoid astaxanthin . Carcinogenesis 15 : 15 - 19 .
To , K. , E. Lai , L. Lee , T. Lin , C. Hung , C. Chen , Y. Chang , and S. Liu . 1994 . Analysis of the gene cluster encoding carotenoid biosynthesis in Erwinia herbicola Eho 13 . Microbiology 140 : 331 - 339 .
Vieira , J. , and J. Messing . 1987 . Production of a single-stranded plasmid DNA . Methods Enzymol. 153 : 3 - 11 .
Wieland , B. , C. Feil , E. Gloria-Maercker , G. Thumm , M. Lechner , J. -M. Bravo , K. Poralla , and F. Götz . 1994 . Genetic and biochemical analyses of the biosynthesis of the yellow carotenoid 4,4~-diaponeurosporene of Staphylococcus aureus . J. Bacteriol. 176 : 7719 - 7726 .
Yokoyama , A. , H. Izumida , and W. Miki . 1994 . Production of astaxanthin and 4-ketozeaxanthin by the marine bacterium, Agrobacterium aurantiacum. Biosci . Biotechnol. Biochem. 58 : 1842 - 1844 .