An omics-based characterization of Wolfiporia cocos reveals three CYP450 members involved in the biosynthetic pathway of pachymic acid
- 作者
- Heping Liu, Naliang Jing, Fengfeng Li, Keyue Wang, Jing Tang, Qin Zhao, Yipeng Zhang, Hamza Armghan Noushahi, Ran Xu, Xuekui Wang, Wenjun Zhu, Shengqiu Feng, Shaohua Shu, Zhinan Mei
- 杂志
- Communications Biology（2024）
- DOI
- 10.1038/s42003-024-06323-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示茯苓酸（pachymic acid）在茯苓（Wolfiporia cocos）中的生物合成途径，特别是鉴定参与该途径的CYP450酶。
研究策略
通过基因组测序、转录组分析挖掘候选CYP450基因，结合基因过表达和沉默实验验证其在茯苓酸生物合成中的功能，并用液相色谱-质谱检测代谢产物变化。
核心内容
该研究通过多组学与遗传操作相结合的策略，揭示了茯苓中茯苓酸生物合成途径的关键酶。研究首先组装了高质量的茯苓基因组，大小58.1 Mb，contig N50达1.42 Mb，共注释出16,015个蛋白编码基因。在此基础上，通过转录组分析和基因簇筛选，鉴定了三个候选CYP450基因（WcCYP64-1、WcCYP52、WcCYP_FUM15），并利用过表达和沉默实验验证其功能。结果显示，过表达WcCYP52的菌株中茯苓酸含量达到野生型的7.38倍，同时相关中间产物如16a-羟基茯苓酸、茯苓酸A和茯苓酸TA的含量也显著上升；沉默这三个基因则导致产物含量下降。相关性分析进一步表明WcCYP52表达量与16a-HA、EA、TA含量的相关系数分别达0.848、0.804和0.924。此外，研究发现温度影响这些基因的表达和茯苓酸积累，28°C下茯苓酸含量最高（1.83 mg/g干重）。该研究不仅补全了从羊毛脂醇到茯苓酸的部分酶催化步骤，也为茯苓酸的代谢工程生产提供了明确的分子靶点。
创新点
组装了高质量茯苓基因组（58.1 Mb，N50 1.42 Mb，注释16,015个基因）；通过基因簇分析和表达模式鉴定出三个CYP450基因（WcCYP64-1, WcCYP52, WcCYP_FUM15）参与茯苓酸生物合成；过表达和沉默实验提供了遗传证据；发现温度影响这些基因表达和PA积累。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | LSS | Lanosterol synthase | 催化 | 羊毛脂醇合酶，催化2,3-氧化鲨烯环化生成羊毛脂醇 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | SMT1 | Sterol C-24 methyltransferase | 催化 | 催化C-24位甲基化 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | SOAT | Sterol O-acyltransferase | 催化 | 催化O-酰基化 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | WcCYP64-1 | WcCYP64-1 | 催化 | CYP450酶，过表达提高PA含量，沉默降低 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | WcCYP52 | WcCYP52 | 催化 | CYP450酶，过表达显著提高PA及前体含量 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | WcCYP_FUM15 | WcCYP_FUM15 | 催化 | CYP450酶，参与PA生物合成 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | WcCYP64-2 | WcCYP64-2 | 催化 | CYP450酶，过表达和沉默不影响PA含量，可能不参与 |
| Wolfiporia cocos | 茯苓酸生物合成途径 | PcCYP3 | PcCYP3 | 催化 | 先前报道的参与PA合成的CYP450 |
关键发现
- 茯苓基因组组装大小为58.1 Mb，contig N50为1.42 Mb，预测蛋白编码基因16,015个。在不同温度（22.5°C、28°C、33.5°C）下，PA含量分别为0.19、1.83、1.30 mg/g（干重），28°C最优。过表达WcCYP52的OE-1菌株中PA含量为野生型的7.38倍，HA、TA和EA分别为1.33、1.23和3.14倍
- 过表达WcCYP64-1和WcCYP_FUM15也显著提高PA相关产物含量。沉默三个基因则导致PA等含量降低。相关性分析显示WcCYP52表达量与16a-HA、EA、TA含量的相关系数分别为0.848、0.804、0.924（P<0.01）。WcCYP64-2过表达不影响这些化合物水平。
研究结论
本研究通过多组学结合遗传操作，鉴定了3个CYP450成员（WcCYP64-1、WcCYP52、WcCYP_FUM15）参与茯苓酸生物合成，补全了从羊毛脂醇到茯苓酸路径中的部分酶催化步骤，为茯苓酸的代谢工程生产提供了靶点。