Evidence from Engineering that Decarboxylation of Free Serine is the Major Source of Ethanolamine Moieties in Plants

作者: Denis Ronten, David Rhodes, Andrew D. Hanson
单位: Horticultural Sciences Department, University of Florida; Department of Horticulture and Landscape Architecture, Purdue University
杂志: Plant and Cell Physiology（2003）
DOI: 10.1093/pcp/pcg144
所属领域: 代谢工程
关键词: PEST基序丝氨酸脱羧酶乙醇胺代谢工程烟草磷脂酰丝氨酸脱羧酶
阅读原文: 查看 PDF 原文

解决的核心问题

确定植物中乙醇胺（Etn）部分的主要来源是游离丝氨酸脱羧还是磷脂酰丝氨酸脱羧，并解析丝氨酸脱羧酶（SDC）N端延伸区的功能。

研究策略

在烟草中分别过表达全长和截短的拟南芥SDC，比较SDC活性及Etn和代谢物水平；利用拟南芥线粒体PSD活性升高9倍的突变体分析Etn代谢物；通过EST数字Northern分析比较SDC与PSD的表达丰度。

研究路线图

100%

下载 .drawio 源文件

核心内容

该研究通过代谢工程手段证明了游离丝氨酸脱羧是植物乙醇胺部分的主要来源。研究者在烟草中分别过表达拟南芥全长和截短（自Met58起）的丝氨酸脱羧酶（SDC），并在大肠杆菌中比较了两种酶的体外活性，同时利用线粒体磷脂酰丝氨酸脱羧酶（PSD）活性升高9倍的拟南芥突变体及EST数字Northern分析，从多个层面验证了SDC的主导地位。结果显示，过表达SDC使烟草叶片SDC活性最高提升约10倍（群体平均26.7和35.3 pmol/mg蛋白/h，对照10.8），游离乙醇胺水平提高2.6至6.6倍；截短酶在体外活性与全长酶相当（0.54对0.33 μmol/mg蛋白/min），但Km值更高（29对12 mM），且截短酶株系的乙醇胺积累量超过全长酶株系2倍。拟南芥PSD活性升高9倍的突变体中丝氨酸、乙醇胺等代谢物水平均正常，而双子叶植物SDC的EST丰度是线粒体PSD的35倍。这些结果证明SDC催化的游离丝氨酸脱羧是主要途径，且SDC含PEST序列的N端延伸区具调控功能但不影响催化活性，截短SDC更有利于乙醇胺积累，为通过代谢工程增强胆碱和甘氨酸甜菜碱合成提供了可行策略。

创新点

首次通过工程手段证明游离丝氨酸脱羧是植物Etn部分的主要来源；发现SDC的N端延伸区（含PEST序列）可能具有调控作用，截短SDC能更有效地提高Etn积累；提出将截短SDC与其他工程步骤组合以增强甘氨酸甜菜碱合成。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
烟草 (Nicotiana tabacum)	乙醇胺合成	AtSDC	丝氨酸脱羧酶 (SDC)	催化	过表达全长和截短（Met58起）的拟南芥丝氨酸脱羧酶；截短酶更有效提高Etn积累
大肠杆菌 (Escherichia coli)	乙醇胺合成	AtSDC	丝氨酸脱羧酶 (SDC)	催化	体外表达全长和截短酶用于活性与Km比较
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)	磷脂代谢	AtPSD (线粒体)	磷脂酰丝氨酸脱羧酶 (PSD)	催化	T-DNA插入突变体，线粒体PSD活性升高9倍，但Etn代谢物水平正常

关键发现

在烟草中过表达全长或截短的拟南芥SDC，SDC活性最高提升约10倍（群体平均分别为26.7和35.3 pmol/mg蛋白/h，对照为10.8），游离Etn水平提高2.6-6.6倍。截短SDC（从Met58开始）在体外活性与全长酶相当（0.54 vs 0.33 μmol/mg蛋白/min），Km为29±4 mM（全长12±2 mM）
在烟草中，截短酶株系T2的Etn水平为全长株系F3的2倍以上。拟南芥线粒体PSD活性升高9倍的突变体中，丝氨酸、Etn、胆碱、磷酸胆碱水平均正常（如Etn 193±46 vs 255±102 nmol/g FW）。数字Northern分析显示，双子叶植物SDC的EST丰度是线粒体PSD的35倍，是线粒体外PSD的7倍。SDC的N端延伸区含强PEST序列（PEST评分+6.32至+17.48），截短不影响催化活性但影响Etn积累。

研究结论

研究证明游离丝氨酸脱羧（由SDC催化）是植物中乙醇胺部分的主要来源；SDC的N端延伸区具有调控功能，截短SDC更有利于提高Etn产量，可用于代谢工程以增强胆碱和甘氨酸甜菜碱的合成。