Overexpression of a type I isopenteny1 pyrophosphate isomerase of Artemisia annua in the cytosol leads to high artetanin B production and artemisinin increase
- 作者
- Dongming Ma, Gui Li, Fatima Alejos-Gonzalez, Yue Zhu, Zhen Xue, Aimin Wang, Hui Zhang, Xing Li, Hechun Ye, Hong Wang, Benye Liu, De-Yu Xie
- 单位
- Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, Raleigh, NC, USA; Research Center of Chinese Herbal Resource Science and Engineering, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou, China; Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; Institute of Pharmaceutical Biology, Technical University Braunschweig, Braunschweig, Germany
- 杂志
- The Plant Journal（2017）
- DOI
- 10.1111/tpj.13583
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
通过代谢工程提高青蒿中青蒿素及其前体（artetanin B和青蒿酸）的产量，为青蒿素半合成提供更高效的前体来源
研究策略
从青蒿中克隆I型异戊烯基焦磷酸异构酶基因AaIPPI1，去除其N端质体转运肽后，在自花授粉青蒿品种的细胞质中过表达截短蛋白，以改变IPP/DMAPP的平衡比例，促进胞质中萜类代谢流向青蒿素及其前体的合成
核心内容
该研究通过在青蒿细胞质中过表达截短的I型异戊烯基焦磷酸异构酶基因AaIPPI1，重塑萜类代谢流向以提高青蒿素及其前体产量。研究者从青蒿中克隆该基因，去除N端质体转运肽后转化自花授粉青蒿品种，使IPP与DMAPP的平衡比例改变并促进胞质中萜类代谢通量。体外酶活测定证实重组截短蛋白可逆催化异构化，稳态平衡时约87.5%的IPP转化为DMAPP。转基因植株叶片中artetanin B含量达到约4%（g/g干重），青蒿素含量为0.17–0.26%（g/g干重），较野生型提高2–3倍，青蒿酸含量增至约1.3%（g/g干重），同时异戊二烯释放显著减少，间接表明质体IPP向胞质转运增强。该策略有效提高了青蒿素及前体积累，为青蒿素半合成提供了更高效的前体来源，验证了关键酶基因操作对目标代谢产物积累的促进作用。
创新点
首次在青蒿胞质中过表达I型异戊烯基焦磷酸异构酶（AaIPPI1）来代谢工程改造萜类代谢；使artetanin B产量大幅提升至约4%（g/g干重），青蒿素含量提高2-3倍；发现异戊二烯释放显著减少，间接证明质体IPP向胞质的转运增强
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua (self-pollinated variety) | MVA途径/青蒿素生物合成 | AaIPPI1 | I型异戊烯基焦磷酸异构酶 (IPPI) | 催化 | 去除质体转运肽的截短形式(-tp)AaIPPI1在胞质中过表达，提高DMAPP供应，促进青蒿素和artetanin B积累 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 异源蛋白表达 | AaIPPI1 (truncated) | 重组(-tp)AaIPPI1 | 催化 | 用于体外酶活测定，显示IPP/DMAPP稳态平衡比约1:7 |
| Nicotiana benthamiana | 瞬时表达定位 | (-tp)AaIPPI1-EGFP | (-tp)AaIPPI1-EGFP融合蛋白 | 区室化 | 通过GFP融合和共聚焦显微镜验证截短蛋白定位于细胞质 |
关键发现
- 体外酶活测定显示重组(-tp)AaIPPI1可逆催化IPP和DMAPP的异构化，稳态平衡比约为1:7（即约87.5%的IPP转化为DMAPP）
- 转基因植株叶片中artetanin B含量达约4%（g/g干重），青蒿素含量为0.17-0.26%（g/g干重），比野生型提高2-3倍
- 青蒿酸含量增加至约1.3%（g/g干重）
- 转基因植株的异戊二烯释放量显著降低
研究结论
在胞质中过表达截短的AaIPPI1可有效重塑青蒿的萜类代谢，显著提高青蒿素及前体化合物（尤其是artetanin B）的产量，为青蒿素半合成提供了新的前体来源，也证实代谢网络中的关键酶基因操作可提高目标代谢产物积累