論文解讀 |細胞色素P450單氧酶在嗜鹽古菌紫膜形成和菌紅素積累中的作用

2021-03-05 亞洲區域滷蟲參考中心

今天與大家分享一篇發表在Frontiers in Microbiology上的文章，題目為「Complex Effects of Cytochrome P450 Monooxygenase on Purple Membrane and Bacterioruberin Production in an Extremely Halophilic Archaeon: Genetic, Phenotypic, and Transcriptomic Analyses」。該文從基因、表型和轉錄組水平上綜合研究了細胞色素單氧酶P450在極端嗜鹽古菌紫膜形成和菌紅素積累中的作用。引用信息如下：

極端嗜鹽古菌鹽桿菌Halobacteriaceae salinarum存在於飽和NaCl的極端環境中，除高鹽外，對紫外線輻射、電離輻射以及乾旱的耐受能力較強。H. salinarum的特點為它可以積累紅色類胡蘿蔔素，其中主要成分為菌紅素（bacterioruberin）。菌紅素不僅可以保護細胞免受光損傷，還可以促進光復活作用、強化細胞膜。除此之外，H. salinarum還能夠利用質子泵—細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin，BR）將光能轉化為化學能以供給細胞活動。BR是一種簡單的蛋白複合物，由細菌視蛋白（bacterioopsin，BO）和共價結合的輔助因子全反式視黃醛組成。在微氧條件下，細胞積累BR形成二維晶體—紫膜（purple membrane，PM）。細胞色素P450單氧酶（Cytochrome P450 Monooxygenases，CYP450s）具有多種生物催化活性，可以催化羥基化、環氧化、脫烷基化和脫滷等一系列反應。作者用模式物種H. salinarum CYP450s的胺基酸序列，通過比對在NCBI中查找到460個假定古菌CYP450s，但未查詢到相關研究。因此，作者以模式物種H. salinarum為實驗材料，從基因、表型以及轉錄水平上，綜合研究了CYP450s在極端嗜鹽古菌中的功能。

H. salinarum 中編碼CYP450s的基因為CYP174A1。作者構建了基因缺失突變株ΔCYP174A1，在40 °C條件下培養親本菌株H. salinarum R1和突變株，並對其色素組成、DNA微陣列及膜成分進行了分析。與親本菌株相比，ΔCYP174A1菌株色素積累量較高 （圖1），但其細胞膜上沒有檢測到PM （圖2B）。DNA微陣列結果顯示，對數期和穩定期分別有41和101個差異表達基因。與親本菌株相比，突變株ΔCYP174A1的brp基因（編碼BO相關蛋白）和另外兩個功能未知的基因vng1461和vng1468在對數期表達量顯著提高，而 bop基因（編碼細菌視蛋白）在穩定期表達量顯著降低（圖2A）。

FIG 1 UV-visible spectra of acetone extracted red pigments of cell pellets harvested at 86 h (solid lines) and 96 h (dashed lines) of growth from parental (gray lines) and CYP174A1-deletion (black lines) strains of Halobacterium salinarum R1. Wavelengths of absorption maxima are indicated on the top scans.

FIG 2 (A) Log2 ratios (y-axis) are shown for expression profiles in logarithmic (gray bars) and stationary growth phases (black bars) for the H. salinarum R1 parental and ΔCYP174A1 strains. Dashed lines indicate the threshold of significant differential expression (see Materials and Methods) and error bars indicate standard errors. (B) inlet: H. salinarum R1 parental strain and ΔCYP174A1 strain red membrane (RM) and purple membrane (PM) as fractionated by sucrose gradient.

H. salinarum在生長的穩定期積累菌紅素，其中番茄紅素延長酶LYE在菌紅素生物合成中發揮重要作用，而bop基因的表達產物細菌視蛋白會抑制番茄紅素延長酶的表達，從而抑制菌紅素的合成。ΔCYP174A1菌株中bop基因的低表達可能解除了番茄紅素延長酶的抑制作用，進而提高了菌紅素的產量。同時，bop基因是bop調節子的一部分，bop由生物傳感器調節基因bat調控，也可能由含有小鋅指蛋白的brz基因調控。bat基因編碼一種反式作用因子，在低氧壓下能夠誘導bop轉錄，DasSarma等（2012）發現，bat的缺失導致bop-調節子中的幾個基因（包括bop）轉錄水平顯著下降，從而抑制PM的形成。本文中雖然bat和brz在穩定期的表達均無顯著性差異，但bop轉錄水平急劇下降，這可能是PM消失的原因。Martín等（2008）發現在β-胡蘿蔔素的β-ione環的4,4′和3,3′位分別添加兩個酮基和兩個羥基可以形成中間體3-羥基海膽酮，進而生成蝦青素。已證實H. salinarum中含有11%反式蝦青素和24% 3-羥基海膽酮，因而作者推測CYP174A1在蝦青素合成過程中扮演著酮化酶和羥化酶雙重角色。但還需通過ΔCYP174A1和親本菌株蝦青素水平進行驗證。蝦青素作為抗氧化劑，能夠有效地猝滅單線態氧。CYP174A1缺失會影響蝦青素的合成從而導致單線態氧及其他形式的活性氧增加，後者作為一種化學信號，迫使H. salinarum啟動輔助機制：通過抑制bop基因表達，從而解除對lye基因的抑制，促進菌紅素的合成。菌紅素是一類具有抗氧化活性的C50類胡蘿蔔素，它可以保護H. salinarum抵禦單態氧及其他活性氧造成的氧化損傷。

FIG 3 Proposed function of CYP174A1 in astaxanthin biosynthesis and the effect of increased singlet oxygen levels on bop expression in H. salinarum. The role of CYP174A1 in astaxanthin biosynthesis in H. salinarum has to be verified.

作者首次報導了CYP450s在極端嗜鹽古菌中的生理功能，研究結果為CYP450s在其他極端嗜鹽古菌中的研究奠定了理論基礎。同時，作者指出CYP450s在蝦青素合成中的作用需要進行深入研究。

整      理：楊   歡

校      對：馬穎超

審      核：隋麗英

技術編輯：王振乾

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