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异质型乙酰辅酶A羧化酶及其生产3-羟基丙酸的研究进展
张鑫,丁钟灵,王肖娜,程智怡,李幸雨,夏立志,徐晓玲,沈洁洁
杭州师范大学基础医学院,浙江杭州311121
摘要
乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)催化底物乙酰辅酶A的羧化,是脂肪酸从头合成的起始限速酶.近年来,在一些嗜热古细菌、丝状不产氧光合细菌等中发现的ACCase还参与一种新型固定二氧化碳的3-羟基丙酸循环代谢途径.ACCase与丙二酰辅酶A还原酶直接催化该循环的起始两步反应,合成代谢特征中间物3-羟基丙酸(3-HP).本文围绕参与脂肪酸从头合成和3-羟基丙酸循环的异质型ACCase,系统介绍和总结异质型ACCase组成差异、催化过程、亚基构象变化和表达调控特点,扩展对ACCase结构与功能多样性和分子进化的理解.同时描述了利用异质型ACCase工程改造合成3-HP,为绿色、高效生物合成3-HP提供理论依据和重要策略.
关键词
异质型乙酰辅酶A羧化酶;3-羟基丙酸;亚基结构;催化机制;调控作用
引言
1957年,Wakil等从鸽子肝脏提取液中分馏纯化获得R1—R44种组分,其中R1在1958年被证明含有大量生物素,并参与了以乙酰辅酶A(Ac-CoA)为底物的长链脂肪酸合成.由此乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)被首次分离出来,并被证实参与生物体内脂肪酸的合成.随后越来越多的研究发现ACCase广泛分布于细菌、植物和动物等绝大多数生物中,以生物素为辅因子,催化Ac-CoA羧化转变为丙二酰辅酶A(M-CoA),是脂肪酸从头合成的起始限速酶.反应底物Ac-CoA和产物M-CoA都是脂肪酸合成的原料,并且M-CoA所携带的丙二酰基团作为二碳单元,直接参与脂酰链的延伸过程.
ACCase在结构和来源上可分为同质型和异质型.同质型ACCase主要存在于真核生物中,在多肽链中依次形成3个功能结构域:生物素羧化酶(BC)、生物素羧基载体蛋白(BCCP)和羧基转移酶(CT).同质型蛋白复合体以同型二聚体形式发挥活性,整体结构稳定、保守、不易解离.异质型ACCase主要存在于原核生物中,是由不同基因编码的多个亚基所组成的多酶复合酶.ACCase因其在脂肪酸合成中的关键作用及其在原核、真核生物中的结构差异而受到人们的广泛关注,在新型抗生素筛选、合成和油脂生产中均开展了大量研究.
近年来,在一些嗜热古细菌、丝状不产氧光合细菌(FAPs)等中发现的异质型ACCase还参与一种新型固定二氧化碳的3-羟基丙酸循环.该循环的起始两步反应是异质型ACCase催化Ac-CoA羧化生成M-CoA,随后被丙二酰辅酶A还原酶(MCR)还原而生成标志性中间代谢产物3-羟基丙酸(3-HP).3-HP是一种重要的平台化合物,能进一步转化为丙烯酸、丙烯腈和1,3-丙二醇等有价值的化学物质.值得关注的是,3-HP的化学合成普遍存在能耗高、毒性大、副产品多等缺陷,利用代谢工程途径生产3-HP的生物法逐渐成为热点研究方向.以葡萄糖为碳源合成3-HP的途径中,基于起始两步反应合成3-HP的生物法是力学上较有利的短合成途径.
本文回顾并总结近年来参与脂肪酸从头合成和3-羟基丙酸循环异质型ACCase的组成、亚基结构、催化及其表达调控特点,以扩展对ACCase结构与功能多样性、分子进化的理解.此外,本文介绍了以3-羟基丙酸循环的起始两步反应为基础,通过基因工程方法,由异质型ACCase合成3-HP的范例,以期为绿色、高效开发3-HP提供理论依据和策略.
1异质型ACCase组成的多样性
1.1异质型ACCase亚基数目的多样性
异质型ACCase在不同微生物中的亚基编码基因不同.例如,结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis)中ACCase包含α亚基和β亚基,其中α亚基是由BC和BCCP组成的双结构域蛋白,其编码基因有3个,分别是accA1—A3.β亚基行使CT蛋白的功能,其编码基因有6个,分别是accD1—D6.这6个亚基为细胞膜脂质的合成提供不同酰基,如丙酰、乙酰或丁醛基团.这些产物为脂肪酸合成途径提供底物,催化产生细胞壁中的分枝菌酸和细胞包膜中的多甲基分支脂肪酸.天蓝色链霉菌(Streptomycescoelicolor)中编码ACCase亚基的基因种类丰富,转录翻译得到的产物发挥活性功能,为聚酮合成途径提供代谢产物.本实验室研究的光合绿丝菌(Chloroflexusaurantiacu)和光合玫瑰菌(Roseiflexuscastenholzii)是FAPs的两个典型菌株,这两个菌株基因组上编码ACCase亚基的基因众多,转录翻译后的蛋白质催化3-羟基丙酸循环的起始反应.
不同原核生物中异质型ACCase的亚基组成具有多样性.按照亚基组成主要分为以下3类:第一类以大肠杆菌(Esch
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