Cloning and characterization of zeaxanthin glucosyltransferase gene (crtX) from the astaxanthin-producing marine bacterium, Paracoccus haeundaensis

Abstract

Zeaxanthin은 carotenoid의 한 종류로, 녹색 식물의 잎에 풍부하게 존재하고, 눈의 건강에 중요하게 작용하는 물질이다. 새로운 해양세균인 Paracoccus haeundaensis의 분리 및 동정은 이미 보고되었고, 이는 carotenoid 중 astaxanthin을 주로 생산하는 균주이다. 6개의 유전자로 구성된 astaxanthin 생합성 유전자가 cloning되어 효소 활성을 포함한 그들의 분자적 특징이 이미 보고되었다. Zeaxanthin glucosyltransferase (CrtX)는 zeaxanthin에서 zeaxanthin diglucoside로의 전환을 매개한다 Paracoccus haeundaensis로부터 분리된 zeaxanthin glucosyltransferase 유전자(crtX)는, 1248개의 염기쌍으로 구성되며, 415개의 아미노산을 암호화한다. 유전자 crtX의 염기 서열은 다른 종의 crtX 서열과 함께 분석되어졌고, 확립된 계통도로부터 진화하는 동안 잘 보존되어진 것으로 나타났다. CrtX gene을 포함하는 plasmid (pSTCRT-X)는 단백질 발현을 위해 구성하였고. 이 plasmid가 포함된 E. coli에서 약 46 KDa의 zeaxanthin glucosyltransferase 재조합 단백질이 생산되었다. Zeaxanthin β-D-diglucoside의 생합성은 zeaxanthin의 생합성을 위해 요구되는 crtE, crtB, crtI, crtY, and crtZ 유전자들을 운반하는 pET-44a(+)-CrtEBIYZ plasmid를 가지고 있는 E. coli 에 pSTCRT-X plasmid를 co-transformation 함으로써 이루어진다. 이 실험은 Paracoccus haeundaensis에서 기존에 cloning한 6개의 carotenoid 생합성 유전자 이외에 새로운 유전자가 존재한다는 것을 밝힌 실험으로 그 의미가 있다. 본 논문은 P. haeundaensis에서 zeaxanthin diglucoside 생합성 기능이 있는 crtX 유전자의 cloning과, 이 유전자를 가진 형질전환 된 E.coli 에서 같은 종류의 carotenoid의 생산을 다루었다.

Zeaxanthin, a member of the carotenoid pigment family, is most abundant in dark, leafy green vegetables and is crucial to the good health of the eyes. Previously, we reported the isolation of a new marine bacterium, Paracoccus haeundaensis, which produces carotenoids, mainly astaxanthin. Zeaxanthin glucosyltransferase (CrtX) mediates the formation of zeaxanthin to zeaxanthin diglucoside. Here, I report cloning of the crtX gene responsible for zeaxanthin diglucoside biosynthesis from P. haeundaensis and the production of the corresponding carotenoids in the transformed cells carrying this gene. The crtX was isolated from the marine bacterium P. haeundaensis and shown to consist of 1248 bp encoding 415 amino acids residues. The nucleotide sequence of crtX was compared with those of other species and was shown by phylogenetic analysis to be well conserved during evolution. The expression plasmid containing crtX gene (pSTCRT-X) was constructed, and Escherichia coli cells containing this plasmid produced the recombinant protein of approximately 46 kDa, corresponding to the molecular weight of zeaxanthin glucosyltransferase. Biosynthesis of zeaxanthin diglucoside was obtained when the plasmid pSTCRT-X was co-transformed into E. coli containing the pET-44a(+)-CrtEBIYZ carrying crtE, crtB, crtI, crtY, and crtZ genes required for zeaxanthin β-D-diglucoside biosynthesis.