Structure and Dynamics of the Isoprenoid Pathway Network
- 作者
- Eva Vranová, Diana Coman, Wilhelm Gruissem
- 单位
- Department of Biology, Plant Biotechnology, ETH Zurich, Universitätsstrasse 2, 8092 Zurich, Switzerland
- 杂志
- Molecular Plant（2012）
- DOI
- 10.1093/mp/sss015
- 所属领域
- 植物代谢
- 关键词
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解决的核心问题
综述植物类异戊二烯代谢网络的结构（包括MVA与MEP两条途径、区室化、产物多样性）及其在基因表达水平上的动态调控规律，并探讨其农业与生物技术应用。
研究策略
系统总结植物类异戊二烯途径的拓扑结构、亚细胞定位、代谢物流调控机制，并结合拟南芥基因共表达网络分析昼夜节律基因与MVA/MEP途径基因的关联。
核心内容
该综述系统梳理了植物类异戊二烯代谢网络的结构与动态调控规律。研究整合MVA与MEP两条途径的区室化分布、关键酶及产物多样性，并以拟南芥基因共表达网络为核心，分析昼夜节律基因与代谢途径基因的关联。目前已鉴定超过50，000种类异戊二烯分子，其中DXS和DXR为MEP途径限速酶，而HDR过表达亦可提升类胡萝卜素产量。研究发现拟南芥phytyl kinase突变体种子生育酚水平仅为野生型的20%，番茄果实成熟期DXS与PSY1共调控，外源注射1-脱氧-D-木酮糖可加速类胡萝卜素合成。共表达网络显示，除HDS外所有MEP途径基因均与核心昼夜节律基因显著共表达，MVA途径基因仅根中与时钟基因高度连接，且MEP“早晨”模块与MVA“傍晚”模块呈反相振荡；prr9/prr7/prr5三突变体中相关基因表达及代谢物水平均升高。该工作表明异戊二烯通量调控具全局性、多层次及时空协调特征，为构建动态模型指导作物改良提供了系统框架。
创新点
整合现有知识构建了拟南芥异戊二烯代谢网络的完整拓扑图；发现昼夜节律核心基因与MEP/MVA途径基因存在组织特异性的共表达模块，且早晚环路基因与非类囊体定位途径形成拮抗振荡关系。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甲羟戊酸（MVA）途径 | AACT | 乙酰乙酰辅酶A硫解酶 | 催化 | 催化两分子乙酰辅酶A缩合为乙酰乙酰辅酶A |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶 | 催化 | 催化乙酰乙酰辅酶A与乙酰辅酶A缩合生成HMG-CoA |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 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途径关键限速酶，催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 催化甲羟戊酸磷酸化 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甲羟戊酸（MVA）途径 | PMK | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | 催化5-磷酸甲羟戊酸磷酸化 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甲羟戊酸（MVA）途径 | MPDC | 二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 催化甲羟戊酸-5-焦磷酸脱羧生成IPP |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个酶，催化丙酮酸与甘油醛-3-磷酸缩合 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | DXR | DXP还原异构酶 | 催化 | MEP途径第二个酶，催化DXP重排还原为MEP |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | MCT | MEP胞苷酰转移酶 | 催化 | 催化MEP与CTP缩合形成CDP-ME |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | CMK | CDP-ME激酶 | 催化 | 磷酸化CDP-ME |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | MCS | ME-2,4cPP合酶 | 催化 | 催化CDP-ME2P环化生成ME-2,4cPP |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | HDS | HMBPP合酶 | 催化 | 催化ME-2,4cPP还原开环生成HMBPP |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | HDR | HMBPP还原酶 | 催化 | 催化HMBPP生成IPP和DMAPP混合物 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | IPPI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 可逆转化IPP和DMAPP |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | GPS | 牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 催化DMAPP与IPP缩合生成GPP (C10) |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | FPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化GPP与IPP缩合生成FPP (C15) |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | GGPS | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 催化FPP与IPP缩合生成GGPP (C20) |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | OPS | 寡聚异戊二烯焦磷酸合酶 | 催化 | 催化生成C25-C45寡聚异戊二烯焦磷酸 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | SPS | 茄尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化生成C45茄尼基二磷酸 (SPP) |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 异戊二烯碳链延伸 | PPS | 多聚异戊二烯焦磷酸合酶 | 催化 | 催化生成C50及以上多聚异戊二烯焦磷酸 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 甾醇/三萜合成 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP头对头缩合生成角鲨烯 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素合成 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成ζ-胡萝卜素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素合成 | ZDS | ζ-胡萝卜素脱氢酶 | 催化 | 催化ζ-胡萝卜素脱氢生成番茄红素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素合成 | CRTISO | 胡萝卜素异构酶 | 催化 | 催化顺式番茄红素异构化为全反式 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素合成 | LCY-B | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素合成 | LCY-E | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 催化番茄红素环化生成ε-胡萝卜素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶绿素/生育酚合成 | GGR | 牻牛儿基牻牛儿基还原酶 | 催化 | 催化GGPP还原为植基二磷酸 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶绿素/生育酚合成 | HPT | 尿黑酸植基转移酶 | 催化 | 催化植基二磷酸与尿黑酸缩合生成生育酚前体 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶绿素/生育酚合成 | HST | 尿黑酸茄尼基转移酶 | 催化 | 催化茄尼基二磷酸与尿黑酸缩合生成质体醌前体 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶绿素/生育酚合成 | DHNAPT | 1,4-二羟基-2-萘甲酸植基转移酶 | 催化 | 参与叶绿醌侧链合成 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶绿素/生育酚合成 | HBPT | 4-羟基苯甲酸多聚异戊二烯转移酶 | 催化 | 参与泛醌侧链合成 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 叶绿素/生育酚合成 | CHS | 叶绿素合酶 | 催化 | 催化植基二磷酸与叶绿素酸酯缩合生成叶绿素 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 植醇救援途径 | VT5 | 植醇激酶 | 催化 | 突变体种子生育酚含量降至野生型20%，参与叶绿素降解释放的植醇磷酸化 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 昼夜节律调控 | CCA1 | CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED 1 | 调控 | 核心时钟基因，与MEP途径基因共表达；调控类异戊二烯基因表达 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 昼夜节律调控 | LHY | LATE ELONGATED HYPOCOTYL | 调控 | 核心时钟基因，与MEP途径基因共表达 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 昼夜节律调控 | TOC1 | TIMING OF CAB EXPRESSION 1 | 调控 | 晚间环核心基因，与MVA途径基因共表达 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 昼夜节律调控 | PRR9 | PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 9 | 调控 | 早晨环基因，与MEP途径基因共表达；prr9/7/5三突变体类异戊二烯代谢增强 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 昼夜节律调控 | PRR7 | PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 | 调控 | prr9/7/5三突变体类异戊二烯代谢增强 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 昼夜节律调控 | PRR5 | PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 5 | 调控 | prr9/7/5三突变体类异戊二烯代谢增强 |
关键发现
- 异戊二烯是植物中功能与结构最多样的代谢物，已鉴定超过50,000种分子
- MEP途径的DXS和DXR是限速酶，但HDR过表达也能增加类胡萝卜素产量
- 拟南芥phytyl kinase突变体种子生育酚水平仅为野生型的20%
- 番茄果实成熟时，MEP途径DXS基因与PSY1共调控，向成熟绿果注射1-脱氧-D-木酮糖可加速类胡萝卜素合成
- 拟南芥prr9/prr7/prr5三突变体中叶绿素、类胡萝卜素、ABA和生育酚生物合成途径的基因表达与代谢物水平均升高
- 基因共表达网络显示，除HDS外所有MEP途径基因均与核心昼夜节律基因显著共表达，而MVA途径基因仅在根中与时钟基因高度连接，且MEP'早晨'模块与MVA'傍晚'模块呈现反相振荡。
研究结论
植物类异戊二烯代谢网络的通量调控是全局性、多层次且时空协调的，涉及多个酶、转录因子、昼夜节律和环境信号。未来需要结合系统生物学方法构建动态模型，以指导作物改良和工业应用。