血红素(heme)是一类中间螯合铁离子的卟啉化合物,参与细胞的氧气运输、电子传递等生物功能。增加其生物合成量可以提高以血红素为辅基的过氧化物酶的酶活力;血红素可作为色素添加剂和补铁剂被用于食品医药行业。因此,血红素合成在食品医药行业及以血红素为辅基的重组蛋白的生产中具有一定的应用价值,但目前血红素代谢调控的机制尚不清楚。本研究以大肠杆菌(Escherichia coli)为研究对象,以铁摄取调节子基因fur与亚铁鳌合酶基因hemH为调控目标,通过fur的过表达与缺失,以及hemH的过表达,探究铁离子以及fur和hemH表达水平对血红素合成代谢的影响。主要研究内容与结果如下:(1)fur过表达对大肠杆菌血红素合成的调控。通过构建含有fur过表达的同源重组菌株Eco/pEF,发现fur过表达对菌体的生长有抑制作用,同时胞内的铁离子减少,并且血红素含量比原始菌株下降了3.55倍,虽然fur过表达上调了gltX、hemL、hemB的表达,分别是原始菌株的4.93倍、2.55倍、4.61倍,但由于hemA下调使合成血红素的前体物质ALA速率低,导致血红素合成下降。在限铁条件下,fur对血红素的合成有一定的促进作用,血红素含量比原始菌株提高了2.22倍,fur使基因hemB、hemL、hemH的转录水平分别上调了5.59倍、2.60倍与2.40倍,促进了血红素的合成。(2)fur缺失对大肠杆菌血红素合成的调控。通过构建fur基因缺失菌株Eco△fur,发现fur缺失不影响菌体生长,但血红素含量比原始菌株下降了3.83倍,fur的缺失使hemL、hemE、hemH的表达分别下调了6.37倍、6.43倍、1.68倍,菌株中卟啉物质并没有明显的积累。在限铁条件下菌株的生长受到抑制,fur缺失后血红素的合成量进一步减少,hemL、hemE、hemH的表达水平分别下调了11.06倍、5.41倍、1.75倍,血红素前体物质原卟啉Ⅸ有所积累。(3)过表达hemH对大肠杆菌血红素合成的调控。通过构建过表达hemH的重组菌株Eco/pEH,发现血红素合成量并没有提高,限铁条件下血红素合成相对LB培养条件下提高了3.83倍。hemH的过表达使hemB与hemF分别下调了8.01倍和3.13倍;限铁条件下hemG的表达水平上调3.56倍。通过代谢组学分析,发现相关差异代谢物及差异途径的变化使血红素合成途径加强,从而使重组菌株Eco/pEH血红素含量在限铁条件下相对较高。