Biosíntesis de Geranilgeranil pirofosfato (GGPP), paso esencial en la biosíntesis de Astaxantina en Xanthophyllomyces dendrorhous

Abstract

La astaxantina es un carotenoide rojo-anaranjado de interés económico, particularmente por sus propiedades antioxidantes y por otorgar el color a la carne de salmónidos. Entre los pocos organismos capaces de sintetizar este compuesto se destaca la levadura basidiomicete X. dendrorhous. En este trabajo se caracterizó la ruta de biosíntesis de geranilgeranil pirofosfato (GGPP), el precursor de los carotenoides en X. dendrorhous. Para ello, los genes FPS y crtE de la levadura, se expresaron en E. coli y sobreexpresaron en X. dendrorhous. También, se analizaron cepas mutantes heterocigotas de cada uno de estos genes, obtenidas en trabajos anteriores. Se demostró que efectivamente los genes FPS y crtE codifican enzimas con actividad prenil transferasa: farnesil pirofosfato (FPP)- y GGPP- sintasa, respectivamente. Ambas enzimas actúan en forma secuencial para generar GGPP desde isopentenil pirofosfato (IPP) y dimetilalil pirofosfato (DMAPP). En X. dendrorhous se observó que la sobreexpresión de estos genes aumenta la cantidad de carotenoides y en el caso del gen crtE, también los esteroles. El crecimiento se vio disminuido en la cepa que sobreexpresa el gen crtE, posiblemente debido al drenaje de los precursores de la síntesis de esteroles hacia la carotenogénesis. Finalmente, el análisis de los niveles de RNA mensajero en las cepas mutantes heterocigotas mostró reducción en la expresión de los genes crtS y crtR, las cuales controlan la síntesis de astaxantina desde beta-caroteno. El mecanismo por el cual sucede esto, aún es desconocido у requiere de más estudios. Finalmente, este trabajo reafirma la importancia y confirma la función de los genes FPS y crtE en la levadura modelo y los posiciona como posibles blancos en programas de mejoramiento genético.

The astaxantina is a red - orange carotenoid of economic interest, particularly for its antioxidant properties and for granting the color to the meat of salmonids. Among few organisms capable of synthesizing this compound, the basidiomicete yeast X. dendrorhous stands out. In this work the biosynthesis pathway of geranilgeranil pyrophosphate (GGPP) which is the precursor of carotenoids in X. dendrorhous, was characterized. For this, the genes FPS and crtE of the yeast, were expressed in E. coli and overexpressed in X. dendrorhous. Also, previously obtained mutant strains for each of these genes were analyzed. It was shown that the FPS and crtE genes encoded enzymes with prenyl transferase activity: farnesyl pyrophosphate (FPP) - and GGPP synthase, respectively. Both enzymes act sequentially to generate GGPP from isopentenyl pyrophosphate (IPP) and dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP). In X. dendrorhous was observed that the overexpression of these genes increased the amount of carotenoids and in the case of the crtE gene, also the sterols. Growth was reduced in the strain overexpressing the crtE gene, possibly because of the drain of the precursors of the synthesis of sterols to carotenogenesis. Finally, the analysis of messenger RNA levels in the heterozygous mutant strains showed reduced a expression of crtS and crtR genes, which control the synthesis of astaxanthin from beta - carotene. The mechanism by which this happens is still unknown and requires further study. Finally, this study remarks the importance and confirms the role of the FPS and crtE genes in yeast model and positions them as potential targets to manipulate in genetic enhancement programs.