Tying the knot: occurrence and possible significance of gene fusions in plant metabolism and beyond
- 作者
- Jillian M. Hagel, Peter J. Facchini
- 单位
- Department of Biological Sciences, University of Calgary, 2500 University Dr N.W., Alberta T2N 1N4, Canada
- 杂志
- Journal of Experimental Botany（2017）
- DOI
- 10.1093/jxb/erx152
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
综述植物及微生物代谢中基因融合的发生、机制与功能意义，探讨融合事件在代谢途径中的潜在作用及其在生物技术中的应用。
研究策略
系统梳理植物代谢（如NCS、REPI、LCY、双功能二萜合酶等）及微生物模型（如PutA、GshF、MsrAB、TS-DHFR等）中已知的基因融合案例，结合生物化学、结构生物学和系统发育证据，比较融合与未融合酶的功能差异。
核心内容
该综述系统梳理了植物和微生物代谢中基因融合的发生机制与功能意义。作者整合了生物化学、结构生物学和系统发育证据，比较了多种融合酶与其未融合对应物的功能差异，涉及植物中的NCS、REPI、LCY、双功能二萜合酶，以及微生物中的PutA、GshF等典型实例。关键结果显示，融合可保证基因共表达和蛋白共定位，并可能通过底物通道或动力学改变影响代谢：罂粟中NCS以串联重复催化结构域存在，催化效率随结构域数目增加而提高；拟南芥DAPA-AT-DTBS融合酶中底物不释放至溶液而直接转移，显示底物通道协同性；微生物GshF中GS结构域对甘氨酸的Km因融合显著降低，MsrAB催化效率提高且关键取决于linker区域；水稻表达otsA-otsB融合基因使海藻糖积累增加，并增强了对盐、干旱和低温的耐受性。然而，融合并非总是优势，底物通道也可能在未融合酶中发生。约0.5%的原核基因涉及融合或分裂事件。该工作提示基因融合是代谢网络进化的重要机制，也为通过人工融合优化代谢途径提供了理论依据。
创新点
综合多个植物代谢酶基因融合实例，提出融合可保证共表达和共定位，可能通过底物通道或动力学改变影响代谢；同时指出融合并非总是带来优势，并讨论了DNA介导和转录介导的融合机制。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Papaver somniferum | benzylisoquinoline alkaloid (BIA) metabolism | NCS | norcoclaurine synthase | 催化 | 催化多巴胺与4-羟苯乙醛缩合；在罂粟科中以串联融合形式存在，含2-4个重复活性结构域 |
| Papaver somniferum | benzylisoquinoline alkaloid (BIA) metabolism / morphine biosynthesis | REPI | reticuline epimerase (CYP82Y2-AKR fusion) | 催化 | CYP82Y2催化(S)-网状番荔枝碱氧化为1,2-脱氢网状番荔枝碱，AKR催化还原为(R)-网状番荔枝碱；两结构域间含12个氨基酸连接肽；CYP结构域具有ER膜锚定作用 |
| Mamilleales (green algae) | carotenoid biosynthesis | LCY | lycopene beta/epsilon cyclase-light harvesting complex fusion | 催化 | LCYB和LCYE结构域竞争底物番茄红素，分别生成γ-胡萝卜素或δ-胡萝卜素；产物比例受linker长度影响 |
| Abies grandis | terpenoid / resin acid biosynthesis | AS | abietadiene synthase | 催化 | 包含CPS和KS两个活性位点，催化GGPP生成ent-CPP后再环化；两个活性位点结构相互依赖但催化独立 |
| Hypnum plumaeforme | momilactone biosynthesis | DTC1 | syn-pimara-7,15-diene synthase | 催化 | 双功能二萜合酶，包含CPS型域和KS型域，参与化学防御 |
| Arabidopsis thaliana | biotin biosynthesis | BIO3-BIO1 | DAPA-AT-DTBS fusion (diaminopelargonic acid aminotransferase - dethiobiotin synthetase) | 催化 | 通过非连续转录和可变剪接产生融合蛋白；DAPA在活性位点间直接转运，具有底物通道和动力学协同性 |
| Arabidopsis thaliana | shikimate pathway | — | DHQD-SHD fusion (3-dehydroquinate dehydratase - shikimate dehydrogenase) | 催化 | 在植物和藻类中以融合蛋白存在，细菌中独立；两个活性位点相近，可能促进中间物3-脱氢莽草酸的通道 |
| Arabidopsis thaliana | aspartate-derived amino acid biosynthesis | AK-HSD | aspartate kinase - homoserine dehydrogenase fusion | 催化 | linker区域含ACT结构域，介导苏氨酸反馈抑制；催化非连续步骤，排除底物通道作为融合驱动力 |
| Gram-negative bacteria (e.g., Bradyrhizobium japonicum) | proline metabolism | putA | proline utilization A (PRODH-P5CDH fusion) | 催化 | 脯氨酸脱氢酶和Δ1-吡咯啉-5-羧酸脱氢酶的融合，底物通道同时存在于融合酶和未融合酶中 |
| Streptococcus agalactiae / Pasteurella multocida | glutathione biosynthesis | gshF | γ-ECL-GS fusion (γ-glutamylcysteine ligase - glutathione synthetase) | 催化 | GS结构域对甘氨酸的Km在融合中显著降低，体现了结构域间相互作用 |
| Treponema denticola | protein repair (methionine sulfoxide reduction) | msrAB | methionine sulfoxide reductase A/B fusion | 催化 | 融合后催化效率提高，linker区域对功能至关重要 |
| Toxoplasma gondii | folate metabolism | TS-DHFR | thymidylate synthase - dihydrofolate reductase fusion | 催化 | 二氢叶酸中间物在TS和DHFR活性位点间直接转移，屏蔽体相溶液 |
| Streptomyces spp. | albaflavenone metabolism | CYP170 | CYP170A-terpene synthase fusion | 催化 | 萜烯合酶结构域仅在某些菌株的融合中具有活性 |
关键发现
- ['NCS在罂粟科植物中以串联融合形式存在，包含2-4个重复催化结构域，催化效率随结构域数目增加而提高。', 'REPI由CYP82Y2和AKR两个结构域组成，之间由12个氨基酸的连接肽连接
- DRS和DRR可独立表达且有活性。', '在DAPA-AT-DTBS融合酶中，DAPA不被释放到溶液中，直接转移至DTBS结构域，显示底物通道和动力学协同性。', '微生物双功能酶GshF中GS结构域对甘氨酸的Km因融合而显著降低
- MsrAB融合酶催化效率提高，且关键取决于linker区域。', '水稻表达otsA-otsB融合基因提高了海藻糖积累，增强了对盐、干旱和低温的耐受性。', '约0.5%的原核基因涉及基因融合/分裂事件。']
研究结论
基因融合在植物和微生物代谢中广泛存在，可促进基因共表达和蛋白共定位，并可能通过底物通道或动力学效应影响代谢功能；但融合并非总是功能性优势，底物通道也可能在未融合酶中发生。未来的基因组测序和基因编辑技术有助于进一步阐明融合事件的具体生理作用。