Inhibition of Squalene Synthase and Squalene Epoxidase in Tobacco Cells Triggers an Up-Regulation of 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl Coenzyme A Reductase
- 作者
- Laurent F. Wentzinger, Thomas J. Bach, Marie-Andrée Hartmann
- 单位
- Institut de Biologie Moléculaire des Plantes, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Propre de Recherche 2357, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg, France
- 杂志
- Plant Physiology（2002）
- DOI
- 10.1104/pp.004655
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物甾醇生物合成途径的调控机制尚不清楚，特别是角鲨烯合酶（SQS）和角鲨烯环氧酶（SE）在甾醇分支中的作用，以及内源甾醇消耗是否触发HMGR的反馈调控。
研究策略
利用特异性抑制剂Squalestatin-1（Sq）和Terbinafine（Tb）分别抑制烟草BY-2细胞中的SQS和SE，检测甾醇合成、酶活性、基因表达及脂质积累的变化，并追踪代谢中间体的命运。
研究路线图
核心内容
该研究利用角鲨烯合酶（SQS）抑制剂Squalestatin-1和角鲨烯环氧酶（SE）抑制剂Terbinafine处理烟草BY-2细胞，系统考察了甾醇生物合成受阻时相关酶活性、基因表达及代谢物积累的变化。结果表明，Sq在纳摩尔浓度即可有效抑制甾醇合成，50 nM处理后4-去甲基甾醇的放射性仅剩对照的4%，SQS活性几乎完全丧失但mRNA水平不变。两种抑制剂均使HMGR酶活性提升2至4倍，其中Sq处理还使HMGR mRNA水平增加5倍，而Tb处理不影响其转录，提示调控发生在翻译或翻译后水平。Tb处理使鲨烯大量积累至5 mg/g干重（对照约20 μg/g干重），其中超过90%储存在细胞质脂滴中，移除抑制剂后这些鲨烯可被重新动员合成甾醇；同时Tb使三酰甘油含量增加8倍。该工作首次证明植物HMGR能响应内源甾醇消耗而发生正反馈上调，且SQS不像哺乳动物那样受甾醇反馈抑制，脂滴作为代谢中间体动态储库以及甾醇与三酰甘油合成之间的代谢联系也得以揭示，加深了对植物甾醇途径调控机制的理解。
创新点
['首次证明植物HMGR能够响应内源甾醇的选择性消耗而发生正反馈调节。', '发现被抑制的甾醇合成导致的鲨烯积累储存在细胞质脂滴中，并可作为甾醇合成的备用前体。', '揭示Tb处理导致三酰甘油（TAG）含量和合成速率显著增加，提示甾醇与TAG生物合成通路之间存在调控关系。', '证明烟草SQS的表达不像哺乳动物细胞那样受甾醇反馈抑制。']
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草BY-2细胞 | 甲羟戊酸（MVA）途径-甾醇支路 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP缩合生成角鲨烯，为甾醇合成的第一个限速步骤；被Sq不可逆抑制。 |
| 烟草BY-2细胞 | 甲羟戊酸（MVA）途径-甾醇支路 | SE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化鲨烯氧化生成2,3-环氧鲨烯；被Tb可逆非竞争性抑制。 |
| 烟草BY-2细胞 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径中的关键限速酶；甾醇消耗时酶活增加2-4倍，并可被转录激活。 |
| 烟草BY-2细胞 | 甲羟戊酸（MVA）途径-甾醇支路 | SMT1 | S-腺苷甲硫氨酸-环阿屯醇甲基转移酶1 | 催化 | 催化环阿屯醇甲基化生成24-亚甲基环阿屯醇。 |
| 烟草BY-2细胞 | 甲羟戊酸（MVA）途径-甾醇支路 | SMT2 | S-腺苷甲硫氨酸-24-亚甲基苯酚甲基转移酶2 | 催化 | 催化24-亚甲基苯酚甲基化生成24-乙叉基苯酚。 |
| 烟草BY-2细胞 | 甲羟戊酸（MVA）途径 | FPPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP缩合生成FPP，位于代谢分支点；表达不受Sq处理影响。 |
关键发现
- ['Sq在纳摩尔浓度下有效抑制甾醇合成，5.5 nM的IC50表明SQS对Sq高度敏感
- 50 nM Sq处理后，4-去甲基甾醇的放射性仅为对照的4%。', 'Sq处理导致SQS活性几乎完全抑制（0.5 μM时活性降至约0.1 nmol h⁻¹ mg⁻¹蛋白），但SQS mRNA水平不变。', 'Sq处理使HMGR酶活性增加2-4倍，500 nM Sq处理24 h后HMGR mRNA水平增加5倍。', 'Tb处理导致鲨烯积累至5 mg/g干重（对照仅约20 μg/g干重），游离甾醇含量下降约50%。', 'Tb处理30 μM时，HMGR酶活性增加2-4倍，但mRNA水平无显著变化，提示调控发生在翻译或翻译后水平。', 'Tb处理导致TAG含量增加8倍（30 μM时4.1 μmol/g干重，对照0.5 μmol/g干重），且伴随细胞质脂滴积累。', '超过90%的过量鲨烯存在于脂滴中，移除Tb后鲨烯可被重新利用合成甾醇。']
研究结论
烟草细胞中，抑制SQS或SE所导致的内源甾醇消耗能触发HMGR的正反馈上调（酶活和/或转录水平），但SQS本身不参与补偿性调控，与哺乳动物细胞形成鲜明对比。此外，鲨烯储存在脂滴中并可被动员，表明脂滴是代谢中间体的动态储库，且甾醇与TAG合成之间存在代谢联系。