Deciphering the key pathway for triterpenoid biosynthesis in Azadirachta indica. A. Juss.: a comprehensive review of omics studies in nature's pharmacy
- 作者
- Nitish Dave, Atif Iqbal, Margi Patel, Tarun Kant, Virendra Kumar Yadav, Dipak Kumar Sahoo, Ashish Patel
- 单位
- Genetics and Tree Improvement Division, Arid Forest Research Institute, Jodhpur, India; Department of Life Sciences, Hemchandracharya North Gujarat University, Patan, Gujarat, India; Department of Veterinary Clinical Sciences, College of Veterinary Medicine, Iowa State University, Ames, IA, United States
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2023）
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1256091
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析印楝（Azadirachta indica）中三萜类化合物（尤其是azadirachtin）生物合成的关键途径，并鉴定参与该过程的候选基因，为代谢工程改造提供靶点。
研究策略
系统综述基因组学、转录组学、蛋白质组学等多组学技术在鉴定印楝三萜生物合成相关基因及其调控网络中的应用，整合近年来的研究成果。
核心内容
该研究系统综述了印楝中三萜类化合物（尤其是印楝素）生物合成关键途径及参与基因的鉴定进展。通过整合基因组学、转录组学和蛋白质组学等多组学数据，研究比较了不同印楝基因组装配结果，发现约70个萜烯合酶基因和355个细胞色素P450基因，其中多数聚集于13号染色体。染色体水平基因组约281 Mb，杂合度为0.896%，重复序列约占33%。功能表征显示，AiOSC1在果实中表达最高，而AiFDS、AiSQS、AiSQE3和AiTTS1在成熟种子仁中高表达，与三萜含量分布一致。该综述还指出，印楝素虽已实现化学全合成，但71步反应的总产率仅0.00015%，工业规模生产不可行，突显了生物合成途径解析的重要性。上述发现明确了13号染色体在三萜基因集聚中的核心地位，并整合了关键酶的功能信息，为填补印楝素生物合成下游缺失环节、推进代谢工程改造提供了重要靶点。
创新点
首次系统比较了印楝不同基因组和转录组研究，指出染色体13在三萜基因集聚中的核心作用；整合了AiOSC1、AiTTS1等关键酶的功能表征结果，为揭示azadirachtin生物合成缺失环节提供了新认识。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Azadirachta indica | 萜类生物合成（MVA/MEP途径） | TPS21 | 萜烯合酶21 | 催化 | 基因组研究中鉴定，参与萜类骨架合成 |
| Azadirachta indica | 萜类生物合成（MEP途径） | lytB/ispH | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | 参与MEP途径末端还原步骤 |
| Azadirachta indica | 萜类生物合成（MEP途径） | ispE | 4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶 | 催化 | 参与MEP途径 |
| Azadirachta indica | 萜类前体合成 | GGPS | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 催化生成香叶基香叶基二磷酸 |
| Azadirachta indica | 萜类前体合成 | FDPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化生成法尼基二磷酸 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | FDFT1 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP缩合生成角鲨烯 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | SQLE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化角鲨烯生成2,3-氧化角鲨烯 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiOSC1 | tirucalla-7,24-dien-3β-ol合酶 | 催化 | 氧化角鲨烯环化酶，与CYP共表达 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiCYP71BQ5 | 细胞色素P450氧化酶 | 催化 | 可能与tirucalla-7,24-dien-3β-ol的氧化修饰有关 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiCYP72A721 | 细胞色素P450氧化酶 | 催化 | 与AiOSC1共表达，可能参与骨架氧化 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiCYP88A108 | 细胞色素P450氧化酶 | 催化 | 与AiOSC1共表达，可能参与骨架氧化 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiTTS1 | tirucalla-7,24-dien-3β-ol合酶 | 催化 | 功能表征的三萜合酶 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiCAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成环阿屯醇 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiSQE1 | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 克隆并功能表征 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiSQE3 | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 在种子仁中高表达 |
| Azadirachta indica | 萜类前体合成 | AiFDS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 在种子仁中高表达 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiSQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 在种子仁中高表达 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiGDS | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 参与异戊二烯前体合成 |
| Azadirachta indica | 三萜生物合成 | AiQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 参与三萜前体合成 |
关键发现
- 印楝基因组中鉴定到约70个萜烯合酶（TPS）基因和355个细胞色素P450（CYP）基因，其中多数聚集在13号染色体上
- 染色体水平基因组大小约281 Mb，覆盖估计总基因组大小的73.2%，杂合度0.896%
- 基因组中重复DNA序列约87 Mb，占全基因组的约33%
- 首次化学全合成azadirachtin需要71步反应，但总产率仅0.00015%，因此工业规模生产不可行
- 功能表征的AiOSC1在果实中表达最高，AiFDS、AiSQS、AiSQE3、AiTTS1在成熟种子仁中高表达，与三萜含量分布一致。
研究结论
印楝是高价值药用植物，虽然已知其产生azadirachtin等活性化合物，但下游生物合成基因尚未完全鉴定；未来需要整合多组学方法深入解析，以促进代谢工程和工业应用。