Modelling of dolichol mass spectra isotopic envelopes as a tool to monitor isoprenoid biosynthesis
- 作者
- Adam Jozwiak, Agata Lipko, Magdalena Kania, Witold Danikiewicz, Liliana Surmacz, Agnieszka Witek, Jacek Wojcik, Konrad Zdanowski, Cezary Paczkowski, Tadeusz Chojnacki, Jarosław Poznanski, Ewa Swiezewska
- 单位
- Institute of Biochemistry and Biophysics, Polish Academy of Sciences; Institute of Organic Chemistry, Polish Academy of Sciences; Institute of Chemistry, University of Natural Sciences and Humanities; Department of Plant Biochemistry, Faculty of Biology, University of Warsaw
- 杂志
- Plant Physiology（2017）
- DOI
- 10.1104/pp.17.00036
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
定量解析植物细胞中MVA和MEP两条异戊二烯生物合成途径对多萜醇的贡献，并监测渗透胁迫下两条途径的协同变化。
研究策略
利用[U-13C6]葡萄糖和[1-13C]葡萄糖进行代谢标记，结合多萜醇质谱同位素包络的数值模拟，定量估算MEP和MVA途径的相对贡献。
核心内容
该研究以拟南芥毛状根为材料，通过[U-13C6]葡萄糖和[1-13C]葡萄糖代谢标记结合多萜醇质谱同位素包络的数值模拟，建立了定量解析MVA与MEP两条异戊二烯生物合成途径相对贡献的新方法。结果显示，在0.3 M山梨醇渗透胁迫下，主导多萜醇（Dol-14-17）的MEP途径贡献从对照的11-12个异戊二烯单元增加至13-15个，其中Dol-14和Dol-15几乎完全来源于MEP途径（约100%），而长链多萜醇（Dol-18-23）的MEP贡献维持不变。胁迫处理还使主导/长链多萜醇比例提高5倍。这一发现表明多萜醇可作为监测MEP/MVA途径协同作用的报告分子，且不同链长多萜醇的合成位点存在区室化差异，长链产物可能定位于过氧化物酶体，为解析植物类异戊二烯代谢的时空分工提供了关键证据。
创新点
1. 建立基于数值模拟同位素包络的质谱分析方法；2. 首次定量揭示渗透胁迫下MEP途径对主导多萜醇生物合成贡献显著增加至100%；3. 发现不同链长多萜醇合成位点存在区室化差异。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana hairy root culture | 类异戊二烯生物合成途径（MVA/MEP） | CPT3 | cis-prenyltransferase 3 | 催化 | 受渗透胁迫诱导，可能参与主导型多萜醇合成 |
| Arabidopsis thaliana hairy root culture | 类异戊二烯生物合成途径（MVA/MEP） | CPT6 | cis-prenyltransferase 6 | 催化 | 产生较短的多异戊二烯醇 |
| Arabidopsis thaliana hairy root culture | 类异戊二烯生物合成途径（MVA/MEP） | CPT7 | cis-prenyltransferase 7 | 催化 | 受渗透胁迫诱导，可能参与主导型多萜醇合成 |
| Arabidopsis thaliana hairy root culture | 类异戊二烯生物合成途径（MVA/MEP） | CPT1/CPT2/CPT9 | cis-prenyltransferases | 催化 | 受渗透胁迫下调，可能参与长链多萜醇合成 |
| Arabidopsis thaliana hairy root culture | 类异戊二烯生物合成途径（MVA/MEP） | PPRD2 | polyprenol reductase 2 | 催化 | 将多异戊二烯醇还原为多萜醇 |
关键发现
- 渗透胁迫（0.3 M山梨醇）下，主导多萜醇（Dol-14-17）的MEP途径贡献从对照的11-12个异戊二烯单元增加至13-15个，且Dol-14和Dol-15达到约100% MEP来源
- 长链多萜醇（Dol-18-23）的MEP贡献不受胁迫影响，仍为11-12个单元
- [U-13C6]葡萄糖标记的有效13C丰度：对照93.9±1.0%，胁迫80.7±1.3%
- [1-13C]葡萄糖标记的13C富集：对照47.1±0.9%，胁迫40.2±0.8%
- 3 M山梨醇处理使主导/长链多萜醇比例增加5倍。
研究结论
多萜醇可作为定量分析MEP/MVA途径协同作用的报告分子；渗透胁迫显著增强MEP途径对主导多萜醇生物合成的贡献，而长链多萜醇合成位点不同（可能位于过氧化物酶体），提示多萜醇合成存在区室化分工。