Elucidation of the Methylerythritol Phosphate Pathway for Isoprenoid Biosynthesis in Bacteria and Plastids. A Metabolic Milestone Achieved through Genomics
- 作者
- Manuel Rodríguez-Concepción, Albert Boronat
- 单位
- Departament de Bioquímica i Biologia Molecular, Facultat de Química, Universitat de Barcelona, Martí i Franques 1-7, 08028 Barcelona, Spain
- 杂志
- Plant Physiology（2002）
- DOI
- 10.1104/pp.007138
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明细菌和植物质体中甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径的生化步骤、基因组成及其在异戊二烯生物合成中的作用。
研究策略
结合有机化学、微生物遗传学、生物化学、分子生物学和生物信息学，利用标记实验、比较基因组学（搜索在细菌和植物中存在但在动物和真菌中缺失的基因）、基因敲除和异源表达等方法，逐步鉴定 MEP 途径的全部酶和基因。
研究路线图
核心内容
该研究通过结合有机化学、微生物遗传学与比较基因组学，完整阐明了细菌和植物质体中甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径的全部酶促步骤。研究者利用标记实验、基因敲除及异源表达等方法，鉴定并验证了dxs、dxr、ygbP、ychB、ygbB、gcpE、lytB等基因的功能，并发现IPP与DMAPP由HMBPP分支产生而非通过异构酶，两者比例为5:1。在大肠杆菌中，通过异源MVA操纵子的遗传互补实验证明上述基因均为必需，而idi非必需。拟南芥中相应直系同源基因均预测有质体转运肽，DXS、DXR、CMS突变体呈幼苗致死白化表型；100 μM磷胺霉素处理可使拟南芥幼苗白化，DXS被证实为限速酶。该工作确立了MEP途径在物种与亚细胞定位上的分化，并揭示其不存在于人类而存在于致病菌与疟原虫中，为抗疟疾、抗菌药物及除草剂的开发提供了理想靶标，是代谢途径发现方法学的重要里程碑。
创新点
发现并完整阐明了不依赖甲羟戊酸的 MEP 途径；证明 MEP 途径与 MVA 途径在物种和亚细胞定位上的分化；发现 IPP 和 DMAPP 由 HMBPP 分支产生而非通过异构酶；利用 MVA 操纵向导系统进行遗传互补；基于基因组学的比较方法加速了代谢途径的发现。
研究对象（23）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP途径 | dxs | DXS (DXP合酶) | 催化 | 催化丙酮酸与甘油醛-3-磷酸缩合生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸(DXP) |
| Escherichia coli | MEP途径 | dxr (ispC) | DXR (DXP还原异构酶) | 催化 | 催化DXP转化为甲基赤藓醇-4-磷酸(MEP) |
| Escherichia coli | MEP途径 | ygbP (ispD) | CMS (CDP-ME合酶) | 催化 | 催化MEP与CTP反应生成4-二磷酸胞苷基-ME(CDP-ME) |
| Escherichia coli | MEP途径 | ychB (ispE) | CMK (CDP-ME激酶) | 催化 | 催化CDP-ME磷酸化生成CDP-MEP |
| Escherichia coli | MEP途径 | ygbB (ispF) | MCS (ME-cPP合酶) | 催化 | 催化CDP-MEP环化生成ME-2,4-环二磷酸(ME-cPP) |
| Escherichia coli | MEP途径 | gcpE (ispG) | HDS (HMBPP合酶) | 催化 | 催化ME-cPP转化为羟甲基丁烯基-4-二磷酸(HMBPP) |
| Escherichia coli | MEP途径 | lytB (ispH) | IDS (IPP/DMAPP合酶) | 催化 | 催化HMBPP生成IPP和DMAPP，比例为5:1 |
| Escherichia coli | MEP途径 | idi | IPP异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP互变，在E. coli中非必需 |
| Escherichia coli (工程菌) | MVA途径 | MVA operon (异源MVK, PMK, PMD) | MVA激酶、MVP激酶、MVPP脱羧酶 | 催化 | 用于从外源MVA合成IPP，互补MEP途径基因缺陷 |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | CLA1 (At4g15560) | DXS | 催化 | 限速酶；突变导致白化表型，可通过DX恢复 |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | DXS2 (At3g21500) | DXS2 | 催化 | 与DXS同源，功能未证实，EST数少 |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | DXS3 (At5g11380) | DXS3 | 催化 | 与DXS同源，可能缺乏催化必需His残基，功能未知 |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | DXR (At5g62790) | DXR | 催化 | 催化DXP转化为MEP |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | CMS (At2g02500) | CMS | 催化 | 催化MEP生成CDP-ME |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | CMK (At2g26930) | CMK | 催化 | 催化CDP-ME生成CDP-MEP |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | MCS (At1g63970) | MCS | 催化 | 催化CDP-MEP生成ME-cPP |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | HDS (At5g60600) | HDS | 催化 | 催化ME-cPP生成HMBPP；含植物特异结构域 |
| Arabidopsis thaliana | MEP途径 | IDS (At4g34350) | IDS | 催化 | 催化HMBPP生成IPP和DMAPP |
| Lycopersicon esculentum（番茄） | MEP途径 | CMK | CMK | 催化 | 番茄CMK，催化CDP-ME磷酸化 |
| Lycopersicon esculentum（番茄） | 类胡萝卜素合成途径 | PSY1 | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化类胡萝卜素途径第一步，其表达受MEP途径中间体调控 |
| Mentha piperita（薄荷） | MEP途径 | DXS | DXS | 催化 | 在油腺分泌细胞中高表达，用于单萜合成 |
| Mentha piperita（薄荷） | MEP途径 | DXR | DXR | 催化 | 过表达提高异戊二烯产量 |
| Plasmodium falciparum | MEP途径 | — | MEP途径酶 | 催化 | MEP途径存在于此疟原虫，是抗疟药物靶标 |
关键发现
- 通过基因组学与遗传学结合，完整阐明了细菌和植物质体中 MEP 途径的所有酶促步骤。关键发现包括：拟南芥中 MEP 途径酶直系同源基因均预测有质体转运肽；在 113,330 条 EST 中，DXS 和 HDS 各约占
- 2%（23和24条），IDS 约占
- 1%（13条）；DXS、DXR、CMS 突变体呈幼苗致死白化表型；在大肠杆菌中利用异源 MVA 操纵子证明 ygbP、ychB、ygbB、gcpE、lytB 为必需基因，idi 非必需；IDS 催化 HMBPP 生成 IPP 与 DMAPP 的混合物，比例为 5:1；植物体内 MEP 与 MVA 途径中间体交换低于 1%；100 μM fosmidomycin（磷胺霉素）使拟南芥幼苗白化，200 μM 处理番茄果实抑制类胡萝卜素积累；DXS 是限速酶。
研究结论
研究通过基因组学与传统方法结合，快速完整地阐明了 MEP 途径，这是代谢领域的重要里程碑。该途径不存在于人类，但存在于致病菌和疟原虫中，是开发新型抗疟疾和抗菌药物及除草剂的理想靶标。然而，关于途径通量调控和与下游途径的协调仍需深入研究。