马普所揭示紫杉醇生物合成最小基因集

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Ad植物微生物

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资源所属：

农业生物技术专题

类型：

前沿资讯

语种：

中文

原文发布日期：

2023-11-30

摘要：

近日，Molecular Plant在线发表了德国马普分子植物生理所、保加利亚植物系统生物学与生物技术中心Alisdair R. Fernie和Youjun Zhang团队及其合作者题为“Synthetic biology identifies the minimal gene set required for Paclitaxel biosynthesis in a plant chassis”的研究论文。该研究成功鉴定了合成紫杉醇关键中间体浆果赤霉素 III的四个新基因及紫杉醇最后步骤中的PCL，并在本氏烟草中重建了浆果赤霉素 III 和紫杉醇的异源合成；揭示了紫杉醇生物合成的最小基因集。二萜类紫杉醇 (paclitaxel) 是一种化疗药物，被广泛用作多种实体癌的一线治疗药物；但天然来源的紫杉醇的供应非常有限。同时，由于紫杉醇生物合成的几个特定代谢步骤中涉及的基因仍不清楚，设计完整的紫杉醇生物合成途径，仍困难重重。紫杉二烯是一种 C20 萜类化合物，其生物合成是紫杉醇生产中的第一个关键步骤。紫杉二烯可在质体中由紫杉二烯合酶 (TXS)，使用香叶基香叶基焦磷酸 (GGPP) 作为底物来生成。然后，紫杉二烯可能被转运到内质网 (ER)，并被那里的至少19 种酶进行修饰；包括C1、C2、C5、C7、C9、C10 和 C13 位点的羟基化，以及C9 位点的进一步氧化。经过进一步修饰（包括乙酰化和氧杂环丁烷环的形成）后，得到最终修饰的中间体浆果赤霉素 III（baccatin III）。尽管负责其中 12 个步骤的酶已被识别并得到充分的表征，但仍有至少6个反应缺乏分子证据。通过检索分析多个已发布的转录组数据，并结合细胞生物学、代谢组学和途径重建，该研究成功鉴定了紫杉醇所需的四个新基因；包括C4β-C20 环氧化酶、紫杉烷 1β-羟化酶（T1βOH）、紫杉烷 9α-羟化酶（T9αOH）和紫杉烷 9α-双加氧酶，从而确定了当前紫杉醇生物合成途径中的缺失步骤。通过本氏烟草中的异源表达，研究人员进一步证实了这些缺失酶的活性；并显示，这四个基因是烟草中异源生成关键中间体浆果赤霉素 III的最小基因集。值得注意的是，新的 C4β-C20 环氧酶可以克服紫杉醇代谢工程的第一个瓶颈。最后，该研究鉴定了紫杉醇生物合成最后步骤所需的酶类，并发现红豆杉（Taxus）中的β-苯丙氨酸-CoA 连接酶（PCL）TAAE；其中，TAAE16的过表达可在烟草中将浆果赤霉素 III 转化为紫杉醇，从而建立了异源合成紫杉醇的最小途径。