Systematic characterization and functional analysis of trans-prenyltransferases in Curcuma wenyujin
- 作者
- Qian Wang, Yi Su, Tingyu Ye, Shiyi Wu, Huan Liu, Jingwen Sun, Xiu Yin, Tianyuan Hu, Xiaoxia Ma, Shujuan Zhao, Xinde Xu, Xiaopu Yin, Qiuhui Wei
- 单位
- School of Pharmacy, Hangzhou Normal University, Hangzhou, Zhejiang, China; School of Life and Environmental Sciences, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang, China; School of Pharmaceutical Sciences, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China; Xinchang Pharmaceutical Factory, Zhejiang Medicine Co., Ltd., Shaoxing, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2025）
- DOI
- 10.3389/fpls.2025.1712697
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统鉴定和功能解析温郁金（Curcuma wenyujin）中的trans-异戊烯基转移酶（trans-PTs），揭示其在萜类生物合成中的角色。
研究策略
通过转录组-wide分析鉴定trans-PTs，构建系统发育树进行分类，分析其在不同器官和激素处理下的表达模式，并结合大肠杆菌异源表达和体外酶活检测对候选酶进行功能验证。
核心内容
该研究首次对药用植物温郁金中的trans-异戊烯基转移酶家族进行了系统鉴定与功能解析。研究者通过转录组范围分析，鉴定出8个trans-CwPTs，分属5个GGPS、2个SPS和1个FPS，并系统考察了其系统发育关系、器官表达模式及激素响应特征。体外酶活检测证实CwFPS1能以DMAPP/IPP或GPP/IPP为底物合成FPP，而CwGGPS1可利用GPP/IPP或FPP/IPP合成GGPP，但不能直接利用DMAPP/IPP。在大肠杆菌中异源表达CwGGPS1使GGOH产量达到对照菌株的2倍，CwFPS1则有效恢复了FPP合成能力。表达分析显示，脱落酸和茉莉酸甲酯处理能显著诱导多数CwPTs表达，而赤霉素影响较弱。该研究明确了温郁金萜类前体合成的关键酶功能，为解析其药用活性成分的生物合成途径及后续代谢工程改造提供了重要的基因资源。
创新点
首次对温郁金中trans-PTs家族进行系统鉴定；发现8个trans-CwPTs并功能验证了CwGGPS1和CwFPS1的催化活性；揭示了MeJA和ABA对trans-CwPTs表达的显著诱导作用。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli BL21(DE3) | 萜类前体生物合成（FPP合成） | CwFPS1 | Farnesyl pyrophosphate synthase (FPS) | 催化 | CwPT6，在体外利用DMAPP/IPP或GPP/IPP合成FPP，并在大肠杆菌中恢复FPP合成。 |
| Escherichia coli BL21star(DE3) | 萜类前体生物合成（GGPP合成） | CwGGPS1 | Geranylgeranyl pyrophosphate synthase (GGPS) | 催化 | CwPT1，在体外利用GPP/IPP或FPP/IPP合成GGPP，不能利用DMAPP/IPP；大肠杆菌中GGOH产量为对照2倍。 |
| Escherichia coli | 萜类前体生物合成（GGPP合成） | CwGGPS2 | Geranylgeranyl pyrophosphate synthase (putative) | 催化 | CwPT2，系统发育上与GGPS同源，但未检测到催化活性。 |
| Escherichia coli | 萜类前体生物合成（GGPP合成） | CwGGPS3 | Geranylgeranyl pyrophosphate synthase (LSU, putative) | 催化 | CwPT3，与OsGGPPS1同源，可能为催化亚基，未检测到活性。 |
| Escherichia coli | 萜类前体生物合成（GGPP合成调控） | CwGGPS4 | Small subunit II (SSU II) of heteromeric GGPS | 调控 | CwPT4，无催化活性，可能通过CxxxC基序与CwGGPS3互作调节其活性。 |
| Escherichia coli | 萜类前体生物合成（GPP/GGPP合成） | CwGGPS5 | Geranylgeranyl pyrophosphate synthase (putative GPS/GGPS) | 催化 | CwPT5，与OsGPS同源，推测可能具有GPS或GGPS活性，未检测到活性。 |
| Escherichia coli | 萜类前体生物合成（solanesyl-PP合成） | CwSPS1 | Solanesyl pyrophosphate synthase (putative) | 催化 | CwPT7，与AtSPS1/2同源，推测为SPS，未检测活性。 |
| Escherichia coli | 萜类前体生物合成（solanesyl-PP合成） | CwSPS2 | Solanesyl pyrophosphate synthase (putative) | 催化 | CwPT8，与AtGPS1/AtPPPS1及OsSPS1同源，推测为SPS，未检测活性。 |
| Escherichia coli BL21star(DE3) | 萜类前体生物合成（FPP合成） | ispA | Farnesyl diphosphate synthase (E. coli native) | 催化 | 用于构建MVA途径增强菌株E0；在E2菌株中删除后FPP产量下降，由CwFPS1恢复。 |
关键发现
- 从温郁金转录组中鉴定出8个trans-CwPTs，其中5个为GGPS、2个为SPS、1个为FPS
- CwFPS1在体外可利用DMAPP/IPP或GPP/IPP合成FPP
- CwGGPS1可利用GPP/IPP或FPP/IPP合成GGPP，但不能利用DMAPP/IPP
- 在大肠杆菌中，表达CwGGPS1的菌株E1产生的GGOH滴度是对照E0的2倍
- CwFPS1在大肠杆菌中恢复了FPP合成，FOH产量显著回升
- CwPTs的氨基酸长度范围为340-418 aa，分子量36.7-45.9 kDa，等电点5.74-6.65
- ABA和MeJA处理显著诱导多数CwPTs表达，GA处理影响较弱。
研究结论
本研究首次报道了温郁金中的trans-PTs家族，证实CwPT1（CwGGPS1）和CwPT6（CwFPS1）分别具有GGPS和FPS活性，为深入理解温郁金萜类生物合成途径奠定了基础，也为后续代谢工程改造提供了基因资源。