OSC2 and CYP716A14v2 Catalyze the Biosynthesis of Triterpenoids for the Cuticle of Aerial Organs of Artemisia annua
- 作者
- Tessa Moses, Jacob Pollier, Qian Shen, Sandra Soetaert, James Reed, Marie-Laure Erffelinck, Filip C.W. Van Nieuwerburgh, Robin Vanden Bossche, Anne Osbourn, Johan M. Thevelein, Dieter Deforce, Kexuan Tang, Alain Goossens
- 单位
- Department of Plant Systems Biology, Flanders Institute for Biotechnology (VIB), B-9052 Gent, Belgium; Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, B-9052 Gent, Belgium; Laboratory of Molecular Cell Biology, Institute of Botany and Microbiology, Katholieke Universiteit Leuven, B-3000 Leuven, Belgium; Department of Molecular Microbiology, Flanders Institute for Biotechnology (VIB), B-3001 Leuven-Heverlee, Belgium; Department of Metabolic Biology, John Innes Centre, Norwich NR4 7UH, United Kingdom; Key Laboratory of Urban Agriculture (South) Ministry of Agriculture, Plant Biotechnology Research Center, Fudan-SJTU-Nottingham Plant Biotechnology R&D Center, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, People's Republic of China; Laboratory of Pharmaceutical Biotechnology, Faculty of Pharmaceutical Sciences, Ghent University, 9000 Ghent, Belgium
- 杂志
- The Plant Cell（2015）
- DOI
- 10.1105/tpc.114.134486
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析黄花蒿（Artemisia annua）地上器官角质层蜡质中特有三萜化合物的生物合成酶及其催化机制。
研究策略
比较腺毛和丝状毛状体的转录组，筛选差异表达的三萜合成候选基因；在酿酒酵母和本氏烟草中异源表达并进行GC-MS代谢物分析以表征功能；通过发夹RNA干扰在黄花蒿中验证基因的体内功能。
核心内容
该研究通过比较黄花蒿腺毛与丝状毛状体的转录组，筛选并鉴定了参与地上器官角质层蜡质三萜生物合成的两个关键酶。研究发现OSC2是一种多功能氧化鲨烯环化酶，在酿酒酵母中异源表达可将2,3-氧化鲨烯环化生成α-、β-和δ-香树脂醇，三者比例为5.5:2.7:1.8，其转录水平在丝状毛状体中比腺毛高41倍。CYP716A14v2则被鉴定为催化三萜C-3羟基氧化为羰基的细胞色素P450酶，可将α-和β-香树脂醇分别转化为相应的香树脂酮。在黄花蒿体内，沉默OSC2或CYP716A14v2均导致香树脂酮类化合物含量显著下降，且该品种积累的三萜中超过90%为香树脂酮类，证实了这两步反应构成了角质层蜡质中C-3羰基三萜生物合成的核心途径。该发现不仅解析了黄花蒿特有角质层三萜的形成机制，CYP716A14v2的C-3羰基氧化活性也为三萜类药物的合成生物学改造提供了新的酶元件。
创新点
首次鉴定CYP716A14v2为催化三萜C-3羟基氧化为羰基的P450酶；发现OSC2为多功能氧化鲨烯环化酶，同时产生α-、β-、δ-香树脂醇；提出由OSC2和CYP716A14v2两步反应生成C-3羰基三萜的新途径，并在异源宿主中重构了黄花蒿的三萜谱。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | OSC2 | OSC2（氧化鲨烯环化酶） | 催化 | 在工程酵母菌株TM50中环化2,3-氧化鲨烯产生α-、β-、δ-香树脂醇，比例5.5:2.7:1.8 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | CYP716A14v2 | CYP716A14v2（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 将α/β-香树脂醇C-3羟基氧化为羰基，生成α-香树脂酮和β-香树脂酮 |
| Nicotiana benthamiana | 三萜生物合成 | OSC2 | OSC2（氧化鲨烯环化酶） | 催化 | 瞬时表达后主要积累α-香树脂醇，α:β:δ比例约8.1:1.8:0.1 |
| Nicotiana benthamiana | 三萜生物合成 | CYP716A14v2 | CYP716A14v2（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 与OSC2共表达时产生α-香树脂酮和β-香树脂酮 |
| Artemisia annua | 三萜生物合成 | OSC2 | OSC2 | 催化 | 在花蕾和叶片角质层蜡质中合成α-、β-、δ-香树脂醇；RNAi沉默后α-香树脂酮显著降低 |
| Artemisia annua | 三萜生物合成 | CYP716A14v2 | CYP716A14v2 | 催化 | RNAi沉默后β-香树脂酮和α-香树脂酮水平显著下降 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | BAS | β-香树脂合酶 | 催化 | 将2,3-氧化鲨烯环化为β-香树脂醇，为单产物酶 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | CAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 产生环阿屯醇，另有未鉴定峰 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | LUS | 羽扇醇合酶 | 催化 | 产生羽扇醇及若干其他峰 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | OSC3 | OSC3（氧化鲨烯环化酶） | 催化 | 与BAS有80%序列相似性，但在酵母中未检测到特异产物 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | CYP716D22 | CYP716D22（候选P450） | 催化 | 候选P450，在酵母和烟草中未检测到对香树脂醇的C-3氧化活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | CYP704A87 | CYP704A87（候选P450） | 催化 | 候选P450，仅在丝状毛状体中表达；未检测到目标氧化活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | CYP81B58 | CYP81B58（候选P450） | 催化 | 候选P450，丝状毛状体中表达比腺毛高105倍；未检测到目标氧化活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜生物合成 | At-ATR1 | 拟南芥P450还原酶 | 能量供给 | 为异源表达的P450提供电子传递 |
关键发现
- OSC2在丝状毛状体中的转录水平比腺毛高41倍（P=0.000109）
- 在酿酒酵母TM50中OSC2环化2,3-氧化鲨烯生成α-香树脂醇:β-香树脂醇:δ-香树脂醇，比例为5.5:2.7:1.8
- 在本氏烟草叶片中三者比例约为8.1:1.8:0.1
- CYP716A14v2可将α-香树脂醇和β-香树脂醇C-3位的羟基氧化为羰基，生成α-香树脂酮和β-香树脂酮
- 在CYP716A14v2沉默的黄花蒿植株中β-香树脂酮和α-香树脂酮均显著下降，在OSC2沉默植株中α-香树脂酮显著下降而β-香树脂酮不变
- 用于沉默的黄花蒿品种中超过90%的积累三萜为香树脂酮类
- 此外，CYP81B58、CYP716D22和CYP716A14v2在丝状毛状体中分别比腺毛高105倍、7倍和19倍。
研究结论
OSC2和CYP716A14v2共同催化黄花蒿地上器官角质层蜡质中特有三萜类化合物的生物合成，这些化合物可能在植物抵抗生物和非生物胁迫中发挥作用；CYP716A14v2的C-3羰基氧化活性为三萜类药物的合成生物学改造提供了新的酶元件。