Regulación transcripcional de la ruta de biosíntesis de astaxantina de xanthophyllomyces dendrorhous

Abstract

X. dendrorhous es una levadura con la capacidad de sintetizar astaxantina a partir de la metabolización de diversos azúcares. La astaxantina es un compuesto carotenoide que posee un gran interés comercial, debido a que es el ingrediente alimentario de mayor costo en la industria de la salmonicultura, además de poseer múltiples efectos beneficiosos sobre la salud humana. Distintos esfuerzos e investigaciones han procurado aumentar el rendimiento carotenogénico de esta levadura, de modo que constituya una fuente natural de astaxantina económicamente atractiva. Sin embargo, dichos esfuerzos han sido dificultados por los escasos conocimientos que se tienen tanto sobre aspectos biológicos básicos de esta levadura como sobre los mecanismos que subyacen la regulación de la biosíntesis de carotenoides. Al respecto, estudios previos han mostrado una asociación entre la síntesis de pigmentos y la fuente de carbono presente en el medio, aunque no se ha podido establecer la naturaleza molecular de dicho fenómeno. En este trabajo se estudió el efecto de la fuente de carbono sobre la expresión de los genes involucrados en la síntesis de carotenoides en X. dendrorhous. De esta manera se determinó que la glucosa inhibe completamente la síntesis de novo de pigmentos, reprimiendo de forma paralela la expresión de los genes crtE, crtYB, crtl y crtS, responsables de la síntesis de astaxantina a partir de GGPP. Dicha respuesta resultó ser dependiente de la normal síntesis de pigmentos, dado que no fue observada en cepas mutantes incapaces de sintetizar astaxantina. Adicionalmente, se clonó caracterizó un homólogo al represor catabólico Mlg1 de S. cerevisiae, y se aportaron evidencias que apoyan la participación de dicho factor en la regulación por glucosa de la síntesis de pigmentos en X. dendrorhous. Por otra parte, se determinó que el etanol posee un efecto inductor de la síntesis de pigmentos, el cual se correlaciona con un aumento en los niveles de expresión de los genes crtYB y crtS. El presente trabajo constituye el primer reporte donde se demuestra la regulación transcripcional de la ruta de biosíntesis de astaxantina en esta levadura, y su asociación con la fuente de carbono presente en el medio.

X. dendrorhous is a yeast with the ability to synthesize astaxanthin from the metabolization of several sugars. Astaxanthin is a carotenoid pigment with a strong commercial interest, because it is the most expensive food ingredient in the salmoniculture industry, and has multiple beneficial effects on human health. Several efforts have been made to improve the carotenogenic yield of this yeast, in way to develop an economically attractive source of natural astaxanthin. However, these efforts have been hampered by a poor knowledge of the yeast biology and the regulation of carotenoid biosynthesis. In this regard, previous studies had shown a correlation between the pigment production and the carbon source in the growth medium. Nevertheless, no molecular explanation has been established for such phenomenon. In this work we studied the effect of the carbon source on the expression of most of the genes involved in the carotenoid biosynthesis in X. dendrorhous. Thus, we determined that glucose inhibits de novo synthesis of pigments decreasing the mRNA levels of crtE, crtYB, crtl and crtS genes, which are responsible of the astaxantin synthesis from GGPP. Such transcriptional response was dependent on the normal pigment synthesis, since it was completely altered in mutant strains unable to produce astaxanthin. Additionally, we cloned and characterized a potential homolog of the Mig1 catabolic repressor described in S. cerevisiae, and provided evidence supporting the participation of this factor in the glucose regulation of the carotenoid biosynthesis in X. dendrorhous. On the other hand, we showed that ethanol acts inducing the pigment biosynthesis, which correlates with an increase of crtYB and crtS gene expression. Importantly, this is the first study that demonstrates the transcriptional regulation of the biosynthetic pathway of astaxanthin in the yeast, and its association with the carbon source in the culture medium.