A Single Terpene Synthase is Responsible for a Wide Variety of Sesquiterpenes in Sorangium cellulosum Socc56
- 作者
- Alexander Schiffrin, Yogan Khatri, Philine Kirsch, Verena Thiel, Stefan Schulz, Rita Bernhardt
- 杂志
- Organic & Biomolecular Chemistry（2016）
- DOI
- 10.1039/C6OB00130K
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析粘细菌Sorangium cellulosum So ce56中17种倍半萜的生物合成基因归属，尤其是确定一个萜烯合酶如何产生多种倍半萜。
研究策略
组合使用挥发性产物分析、E. coli异源表达（共表达甲羟戊酸途径基因供给FPP）、GC/MS和NMR结构鉴定、以及全基因组系统发育筛选。
核心内容
该研究系统解析了粘细菌Sorangium cellulosum So ce56中17种倍半萜的生物合成基因归属。通过全基因组筛选发现该菌仅编码3个I型萜烯合酶（sce1440、sce6369、sce8552）和1个II型萜烯合酶（sce4636），并在大肠杆菌中异源表达这些基因，结合GC/MS和NMR对产物进行结构鉴定。关键发现是sce6369编码一个高度混杂的10-epi-cubebol合酶，单个酶可产生21种倍半萜产物，其中13种被结构鉴定，主要产物为10-epi-cubebol（19），该产物也是So ce56挥发性成分的主要组成之一；sce6369在体内产生的倍半萜与野生菌株共有7种。相比之下，sce1440仅产生germacra-1(10)E,5E-dien-11-ol（26），sce8552特异产生(+)-eremophilene（11），而sce4636不转化FPP。同源基因筛选显示sce1440直系同源物存在于27种粘细菌中的15种，而sce6369仅有7个同源基因且序列相似性较低（同一性24%–34%）。这项工作首次表征了高度混杂的10-epi-cubebol合酶，证明单一萜烯合酶即可产生多种倍半萜，并为其在其他粘细菌中的功能预测提供了依据。
创新点
首次表征了混杂的10-epi-cubebol合酶（sce6369），证明一个酶可产生21种倍半萜；通过基因组挖掘预测了27种粘细菌中萜烯合酶的分布。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| E. coli C43(DE3) | 倍半萜生物合成途径 | sce1440 | germacra-1(10)E,5E-dien-11-ol/geosmin合酶 | 催化 | 异源表达仅产生germacra-1(10)E,5E-dien-11-ol (26)，未观察到geosmin生成 |
| E. coli C43(DE3) | 倍半萜生物合成途径 | sce6369 | 10-epi-cubebol合酶（混杂型） | 催化 | 产生21种倍半萜，主要产物为10-epi-cubebol (19)，另含cadalane和cubebane类化合物 |
| E. coli C43(DE3) | 倍半萜生物合成途径 | sce8552 | (+)-eremophilene合酶 | 催化 | 特异性产生(+)-eremophilene (11)，与CYP264B1编码基因成簇 |
| E. coli C43(DE3) | 倍半萜生物合成途径 | sce4636 | II型萜烯合酶 | 催化 | 不转化FPP，未检测到倍半萜产物 |
| Sorangium cellulosum So ce56 | 倍半萜生物合成途径 | sce6369 | 10-epi-cubebol合酶 | 催化 | 野生型中负责大部分倍半萜（如1,2,3,6,8,17,19）的形成 |
关键发现
- Sorangium cellulosum So ce56基因组大小为13.1 Mbp，仅编码3个I型萜烯合酶（sce1440、sce6369、sce8552）和1个II型萜烯合酶（sce4636）。sce6369在E. coli中产生21种倍半萜产物，其中13种被结构鉴定，主要产物为10-epi-cubebol（19）
- 该产物也是So ce56挥发物中的主要成分之一。sce6369产物中与So ce56共有7种（1,2,3,6,8,17,19）。sce1440仅产生germacra-1(10)E,5E-dien-11-ol（26），不产生geosmin
- sce8552特异产生(+)-eremophilene（11）
- sce4636不转化FPP。生物信息学分析显示，sce1440直系同源物在27种粘细菌中的15种存在（序列同一性>50%、相似性>65%）
- sce4636相关基因仅存在于4种粘细菌
- sce6369有7个同源基因（同一性24%-34%、相似性38%-47%）
- sce8552与Sorangium cellulosum So0157-2中的同源基因具有68.9%的同一性（81.2%相似性）。
研究结论
sce6369是第一个被表征的、高度混杂的10-epi-cubebol合酶，负责So ce56中大部分倍半萜（尤其是cadalane和cubebane类）的形成；sce1440和sce8552分别是germacradienol/geosmin合酶和(+)-eremophilene合酶；sce4636不参与FPP转化。研究还通过同源基因筛选为预测其他粘细菌的倍半萜产生提供了依据。