The unprecedented diversity of UGT94-family UDP-glycosyltransferases in Panax plants and their contribution to ginsenoside biosynthesis
- 作者
- Chengshuai Yang, Chaojing Li, Wei Wei, Yongjun Wei, Qunfang Liu, Guoping Zhao, Jianmin Yue, Xing Yan, Pingping Wang, Zhihua Zhou
- 单位
- 中国科学院分子植物科学卓越创新中心/上海植物生理生态研究所; 中国科学院大学; 中国科学院上海有机化学研究所; 上海中医药大学
- 杂志
- Scientific Reports（2020）
- DOI
- 10.1038/s41598-020-72278-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
人参属植物中负责人参皂苷糖链延伸的UGT94家族酶尚未被系统鉴定，其基因多样性和功能分化机制不清楚。
研究策略
从人参混合cDNA、单株人参和三七中系统克隆UGT94家族基因，利用大肠杆菌异源表达和体外酶活检测，结合系统发育分析和基因组串联重复分析，阐明功能多样性及人参皂苷生物合成途径。
核心内容
该研究系统鉴定了人参属植物中UGT94家族UDP-糖基转移酶的基因多样性与功能分化。研究者从人参混合cDNA中克隆出46个PgUGT94序列，从单株人参和三七中分别获得26个和51个同源基因，氨基酸一致性介于82%至99.78%之间。通过大肠杆菌异源表达和体外酶活检测，发现其中41个酶能催化Rh2生成Rg3，10个催化Rh1生成Rf，5个催化CK生成gypenoside LXXV，另有多个酶催化Rd生成Rh1或F1生成notoginsenoside U。部分酶同时具备C3-O-Glc、C6-O-Glc或C20-O-Glc位点的糖链延伸活性。以相对活性最高的PgUGT94Q18、PgUGT94Q3和PnUGT94Q25-V2为基准，其余酶活性范围为0.9%至89%。研究首次揭示了UGT94家族在人参属中的高度多样性及其对多种人参皂苷完整合成途径的贡献，这种多样性可能源于全基因组复制和串联重复，为微生物细胞工厂生产多种人参皂苷提供了关键酶资源。
创新点
首次揭示人参属植物中UGT94家族前所未有的多样性；首次阐明gypenoside LXXV、notoginsenoside U、Rf、Rb1、3-O-[β-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-glucopyranosyl]-oleanolic acid和zingibroside R1等糖链延伸型人参皂苷的完整生物合成途径。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPD型） | PgUGT94Q18 | PgUGT94Q18 | 催化 | 来自人参，clade A成员，对底物Rh2的C3-O-Glc糖链延伸活性最高（相对活性设为100%），催化生成Rg3 |
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPT型） | PgUGT94Q3 | PgUGT94Q3 | 催化 | 来自人参，clade B成员，对底物Rh1的C6-O-Glc糖链延伸活性最高（相对活性设为100%），催化生成Rf；同时具有C3-O-Glc(PPD型)延伸活性 |
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPD型和PPT型） | PgUGT94Q6 | PgUGT94Q6 | 催化 | 来自人参，clade C成员，对底物Rd的C20-O-Glc糖链延伸活性最高，催化生成Rb1；同时可催化CK生成gypenoside LXXV |
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPD型）及齐墩果酸型皂苷 | PgUGT94Q15 | PgUGT94Q15 | 催化 | 来自人参，催化Rh2的C3-O-Glc延伸生成Rg3；也可催化3-氧-β-D-葡萄糖齐墩果酸（3GOA）的C3-O-Glc延伸生成3-O-[β-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-glucopyranosyl]-oleanolic acid |
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPT型） | PgUGT94Q15-V1 | PgUGT94Q15-V1 | 催化 | 来自人参，催化calundulose E的C3-O-GlcA延伸生成zingibroside R1；同时具有C3-O-Glc(PPD型)延伸活性 |
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPD型） | PnUGT94Q25-V2 | PnUGT94Q25-V2 | 催化 | 来自三七，对底物Rd的C20-O-Glc糖链延伸活性最高（相对活性设为100%），催化生成Rb1 |
| E. coli BL21(DE3) | 人参皂苷生物合成途径（PPD型和PPT型） | PgUGT94Q5-V1, PgUGT94Q11-V1, PgUGT94Q4-V1 | PgUGT94Q5-V1, PgUGT94Q11-V1, PgUGT94Q4-V1 | 催化 | 来自人参，分别属于clade A、B、C，位于基因组Pg_scaffold6708的串联重复阵列中，均具有糖链延伸活性 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成途径（PPD型和PPT型） | PgUGT94家族（46个） | PgUGT94家族 | 催化 | 来源植物底盘，作为UGT94基因的天然来源，包含多个成员催化C3-O-Glc、C6-O-Glc和C20-O-Glc位点的糖链延伸 |
| Panax notoginseng | 人参皂苷生物合成途径（PPD型和PPT型） | PnUGT94家族（51个） | PnUGT94家族 | 催化 | 来源植物底盘，作为UGT94基因的天然来源，功能与PgUGT94家族类似，参与多种人参皂苷的糖链延伸 |
关键发现
- 从人参混合cDNA中克隆了46个PgUGT94s，氨基酸一致性85.87%-99.78%
- 其中41个催化Rh2生成Rg3，10个催化Rh1生成Rf，5个催化CK生成gypenoside LXXV、Rd生成Rh1、F1生成notoginsenoside U
- 8个同时具有C3-O-Glc(PPD型)和C6-O-Glc(PPT型)延伸活性，5个同时具有C3-O-Glc和C20-O-Glc延伸活性。单株人参中获得26个PgUGT94s，单株三七中获得51个PnUGT94s，氨基酸一致性分别为82.06%-99.78%和84.08%-99.78%。相对酶活性最高的PgUGT94Q18（对Rh2）、PgUGT94Q3（对Rh1）和PnUGT94Q25-V2（对Rd）设为100%，其余酶相对活性范围0.9%-89%。
研究结论
人参属植物中UGT94家族存在大量高氨基酸一致性但功能多样的成员，它们通过催化C3-O-Glc、C6-O-Glc或C20-O-Glc位点的糖链延伸参与多种人参皂苷的生物合成。这种多样性可能源于全基因组复制和串联重复。研究为通过微生物细胞工厂生产多种人参皂苷奠定基础。