Distinct triterpene synthases in the laticifers of Euphorbia lathyris
- 作者
- Edith Forestier, Carmen Romero-Segura, Irini Pateraki, Emilio Centeno, Vincent Compagnon, Myriam Preiss, Anne Berna, Albert Boronat, Thomas J. Bach, Sylvain Darnet, Hubert Schaller
- 杂志
- Scientific Reports（2019）
- DOI
- 10.1038/s41598-019-40905-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析续随子(Euphorbia lathyris)乳管中大量积累三萜类化合物的酶学机制，特别是阐明乳管中多种四环三萜是由广谱多功能酶还是由多个特异性的氧化鲨烯环化酶(OSC)催化生成，并鉴定产生butyrospermol的酶
研究策略
对乳管转录组进行测序和生物信息学挖掘，获得三个OSC候选基因(EILAS1、EICAS1、EIBUT1)；在酵母erg7突变体(缺乏羊毛甾醇合酶)及本氏烟草叶片瞬时表达系统中进行异源功能表达，结合GC-MS和NMR鉴定产物结构
核心内容
该研究以续随子乳管中大量积累的三萜类化合物为对象，旨在解析其四环三萜由广谱多功能酶还是多个特异性氧化鲨烯环化酶（OSC）催化生成的机制。研究者对乳管转录组进行测序，挖掘出三个OSC候选基因EILAS1、EICAS1和EIBUT1，并在酵母erg7突变体及本氏烟草叶片中异源表达，结合GC-MS和NMR鉴定产物。结果显示，乳管三萜可占乳管干重的50%；EILAS1产生羊毛甾醇，EICAS1产生环阿屯醇，而EIBUT1以butyrospermol为主要产物（占87%），并伴随微量euphol，这是首次克隆并功能表征butyrospermol合酶。各酶的产物特异性P1/P2值较高，LAS1为0.95，CAS1为0.99，BUT1在酵母中为0.87，且烟草中产生的butyrospermol与天然结构一致。热暴露可使乳管三萜含量增加最多3倍。该研究证明续随子乳管中主要四环三萜由三个高度特异的OSC分别催化合成，而非广谱多功能酶，为植物三萜多样性机制及代谢工程应用提供了新见解。
创新点
首次克隆并功能表征了butyrospermol合酶(EIBUT1)，该酶将2,3-氧化鲨烯环化为butyrospermol；证明乳管中特征性三萜谱由多个高特异性OSC(CAS1、LAS1、BUT1)而非多功能酶建立
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae erg7 (GIL77) | 甾醇/三萜生物合成途径 | EILAS1 | ElLAS1 | 催化 | 催化(3S)-2,3-氧化鲨烯经椅-船-椅构象环化为羊毛甾醇，互补酵母erg7突变体的麦角固醇自养缺陷 |
| Saccharomyces cerevisiae erg7 (GIL77) | 三萜生物合成途径 | EICAS1 | ElCAS1 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为环阿屯醇，少量产生9,19-环丙基甾醇衍生物 |
| Saccharomyces cerevisiae erg7 (GIL77) | 三萜生物合成途径 | EIBUT1 | ElBUT1 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯经17β-达玛烯基阳离子环化为butyrospermol，为主要产物，并产生微量euphol和可能的羽扇烷型五环三萜 |
| Nicotiana benthamiana | 甲羟戊酸途径/三萜生物合成 | EIBUT1 | ElBUT1 | 催化 | 在本氏烟草叶片中与截短的HMGR共表达，产生butyrospermol，经NMR证实与乳管天然butyrospermol结构一致 |
| Nicotiana benthamiana | 甲羟戊酸途径 | HMGR (truncated CD-HMGR) | HMGR | 催化 | 共表达截短的、解除反馈调节的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶，用于增加甲羟戊酸途径通量以提高三萜产量 |
关键发现
- 乳管三萜可占乳管干重的50%；乳管转录组包含完整的异戊二烯代谢途径；EILAS1在酵母erg7中产生羊毛甾醇并恢复麦角固醇自养；EICAS1产生环阿屯醇；EIBUT1以butyrospermol为主要产物(占87%)并伴随微量euphol；但butyrospermol合酶在本氏烟草中P1/P2值高达0.98；E. lathyris OSC的产物特异性P1/P2值分别为LAS1
- 95、CAS1
- 99、BUT1(酵母)0.87；热暴露可使乳管三萜含量增加最多3倍；银离子TLC结合NMR证实烟草中产生的butyrospermol与乳管天然butyrospermol结构一致
研究结论
Euphorbia lathyris乳管中的主要四环三萜(羊毛甾醇、环阿屯醇和butyrospermol)分别由三个高度特异的氧化鲨烯环化酶EILAS1、EICAS1和EIBUT1催化合成，其中EIBUT1是首个被表征的butyrospermol合酶，这些酶共同构成了乳管三萜工厂的催化核心