Promiscuous terpene synthases from Prunella vulgaris highlight the importance of substrate and compartment switching in terpene synthase evolution
- 作者
- Sean R. Johnson, Wajid Waheed Bhat, Radin Sadre, Garret P. Miller, Alekzander Sky Garcia, Bjorn Hamberger
- 单位
- Department of Biochemistry and Molecular Biology, Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA; Department of Pharmacology and Toxicology, Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA
- 杂志
- New Phytologist（2019）
- DOI
- 10.1111/nph.15778
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析夏枯草中罕见vulgarisane二萜骨架的生物合成途径，并探究萜烯合酶（TPS）底物与亚细胞区室切换在进化中的驱动作用。
研究策略
结合化学分类学数据与公开转录组筛选候选TPS基因；克隆并异源表达四个TPS-a亚家族酶；通过体外酶活测定、大肠杆菌及烟草瞬时表达、GFP亚细胞定位、系统发育分析和同源建模等方法表征其功能与进化。
研究路线图
核心内容
该研究以夏枯草为对象，结合化学分类学与公开转录组数据筛选并克隆了四个TPS-a亚家族萜烯合酶，通过大肠杆菌异源表达、体外酶活测定、烟草瞬时表达和GFP亚细胞定位等手段解析其功能。关键发现是首次在唇形科鉴定出二萜合酶PvHVS，其催化GGPP环化生成罕见的11-羟基vulgarisane骨架，并经NMR确认结构；该产物仅存在于根部而叶片中未检出，提示组织特异性调控。此外，四个酶均表现出多底物混杂性，PvTPS2、PvTPS4和PvTPS5以倍半萜合酶活性为主。系统发育分析显示约5%的TPS-a基因携带质体转运肽，且文献汇总共发现22个非典型底物或区室切换案例，表明这一进化机制在至少四个双子叶谱系中独立发生。研究强调不能仅依据亚家族推断底物特异性，筛选时应关注质体转运肽信号，为植物萜类途径挖掘提供了重要方法论启示。
创新点
首次在唇形科中发现TPS-a亚家族的二萜合酶PvHVS，其催化GGPP环化生成vulgarisin类前体11-羟基vulgarisane；证实底物和区室切换在TPS进化中至少在四个双子叶谱系中独立发生；系统分析显示约5%的TPS-a基因具有质体转运肽，表明该现象较普遍。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 萜类生物合成（二萜） | PvHVS | PvHVS (terpene synthase) | 催化 | 催化GGPP环化生成11-羟基vulgarisane，具有质体转运肽，在烟草瞬时表达中也验证活性 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜/二萜） | PvTPS2 | PvTPS2 (terpene synthase) | 催化 | 具有质体转运肽，对多种底物有活性，产生无环倍半萜及微量二萜 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | PvTPS4 | PvTPS4 (terpene synthase) | 催化 | 胞质定位，主要催化(E,E)-FPP生成δ-杜松烯等双环倍半萜 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成（倍半萜） | PvTPS5 | PvTPS5 (terpene synthase) | 催化 | 胞质定位，主要催化(E,E)-FPP生成三环倍半萜，其产物谱与夏枯草根提取物一致 |
关键发现
- 四个新TPS酶均具有多底物活性
- PvHVS将GGPP转化为11-羟基vulgarisane（NMR确认）
- 根部检测到11-羟基vulgarisane和vulgarisin A/D异构体，叶片无
- 公开转录组中117/2288（约5%）TPS-a基因预测含质体转运肽
- 文献共发现22个非典型TPS定位/底物例子。
研究结论
研究揭示了PvHVS催化vulgarisane骨架形成的关键步骤，支持底物和区室切换是植物TPS进化与功能多样化的重要机制；建议不能仅根据TPS亚家族推断底物特异性，筛选时应注意质体转运肽的存在。