红曲菌中嗜氮酮型和萘酮型黄色素生物合成的研究

Monascus pigment (MP), produced by Monascus spp. as a traditional food colorant in China and Southeast Asia, has been utilized for more than thousands of years. MP is the mixture of red, orange and yellow pigment constituents. Among them, yellow MP has wide application prospects because of its structure diversity, good coloring effect and various biological functions. However, the biosynthetic pathway of yellow MP is still a debatable question. In our previous research, yellow MP was classified into two kinds: azaphilone and naphthalenone. Based on the results of gene knock-out, enzymatic reaction in vitro, and yellow MP metabolites analysis, the possible biosynthetic pathway was proposed. This research will firstly search the genes involved in biosynthesis through metabolomics-proteomics analysis. Then, the catalytic function of those enzymes will be determined by gene knock-out and in vitro enzymatic reaction. An in vitro multi-enzymatic system and a heterologous co-expression system will be developed, respectively, for yellow MP biosynthesis. This research will elucidate the biosynthetic pathway of yellow MP, and establish theory foundation to develop new yellow MP producing Monascus strains. Furthermore, this will provide reference for studying the biosynthetic pathway of analogous metabolites in other fungi.

红曲色素（Monascus pigment，MP）是红曲菌（Monascus spp., 又称红曲霉）产生的我国和东南亚地区的传统食品着色剂，已有上千年应用历史。MP是由红、橙、黄三类色素成分组成的混合物，其中黄色MP不仅种类多，且除着色功能外还有多种生物活性，具有广阔的应用前景。但目前黄色MP生物合成途径仍存在争议。申请人前期研究中发现黄色MP分为嗜氮酮型和萘酮型两类，并根据基因敲除、体外酶反应以及黄色MP产物分析等实验结果，推导了这两类黄色MP的生物合成过程，为本项目奠定了基础。据此，本申请项目拟通过组学联用的方法推导参与黄色MP合成的基因，利用基因敲除和体外酶反应方法表征酶的功能，通过构建体外多酶共催化体系和多基因异源共表达菌株来验证其生物合成过程。本项目不仅能够解析两类黄色MP的生物合成机制，为黄色MP生产菌株的改良奠定理论基础，也为其他真菌类似代谢产物合成途径的研究提供借鉴意义。

红曲色素（Monascus pigments，MPs）是红曲菌（Monascus spp.,又称红曲霉）产生的天然食品着色剂，在我国和东南地区已有上千年应用历史。黄色MPs不仅种类多，除食品着色功能外还有多种生物活性，因此具有广阔的应用前景。黄色MPs主要包括萘醌型和嗜氮酮型两类，但它们的生物合成途径仍存在争议。本项目以这两类主要的黄色MPs为研究对象，系统研究了负责黄色MPs生物合成的酶及其所催化的反应，在分子水平上解析了这些酶的酶催化功能，同时深入揭示了这些酶协同有序催化的调控机制，从而阐明了萘醌型和嗜氮酮型黄色素的生物合成机制。在萘醌型黄色素合成中，单氧化酶MrPigN催化形成萘醌结构是萘醌型黄色素生物合成中的核心步骤，烯醇还原酶MrPigH催化的多步还原反应能够生产多种萘醌型黄色素，同时还解析了萘醌型黄色素的抗菌功能与红曲菌自我脱毒机制。在嗜氮酮型黄色素合成途径中，发现了嗜氮酮-萘醌超级生物合成基因簇，阐明了聚酮合酶MrPigA和酮还原酶MrPigC催化形成第一个中间产物以及分子结构决定的Knoevenagel缩合反应以生成嗜氮酮型黄色素的五元环结构，还揭示了cAMP-PKA信号通路调控嗜氮酮型和萘醌型黄色素生物合成的机制。并基于这些结果，解析了黄色素生物合成效率的调控机制，对黄色素生物合成途径进行设计和重构，实现了黄色素的高效生物合成，构建菌株的黄色素产量高于已知报道。本项目所取得的成果，不仅在理论上揭示了红曲菌中存在的新颖生物化学反应以及涉及的酶催化功能，为改造红曲菌株以高产优产黄色素提供重要理论指导，同时为丝状真菌中其他次级代谢产物生物合成机制研究提供了借鉴。