Complete biosynthesis of the potent vaccine adjuvant QS-21
- 作者
- Laetitia B. B. Martin, Shingo Kikuchi, Martin Rejzek, Charlotte Owen, James Reed, Anastasia Orme, Rajesh C. Misra, Amr El-Demerdash, Lionel Hill, Hannah Hodgson, Yuzhong Liu, Jay D. Keasling, Robert A. Field, Andrew W. Truman, Anne Osbourn
- 杂志
- Nature Chemical Biology（2024）
- DOI
- 10.1038/s41589-023-01538-5
- 所属领域
- 合成生物学 / 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
QS-21 是一种强效疫苗佐剂，目前从智利皂皮树中提取，但其复杂的 C18 酰基侧链的生物合成途径未知，限制了异源生产与应用。
研究策略
通过基因组挖掘、共表达分析、候选基因评分和酵母/烟草瞬时表达等功能分析，鉴定了参与酰基链合成的酶，并在本氏烟草中重建了完整的 20 步 QS-21 生物合成途径。
核心内容
该研究通过基因组挖掘、共表达分析和候选基因筛选，首次阐明了强效疫苗佐剂QS-21中独特的C18酰基侧链的生物合成途径，并在本氏烟草中重构了完整的20步QS-21生物合成通路。研究者鉴定出多个关键新酶，包括负责起始底物活化的CCL1（Qs0229930）、负责C9-δ-内酯合成的PKS5以及通过shotgun表达发现的KR1、KR2、ACT2、ACT3和UGT73CZ2等5个额外基因。在烟草中异源生产QS-21的产量达到8.6 μg/g干叶重；补充1 mM 2-甲基丁酸可将产量提升2至4倍；共表达反馈不敏感型QsTD-P540L突变体使异亮氨酸含量提高7至8倍，并使QS-21产量较野生型TD提高约3倍。纯化产物的高分辨质谱实测m/z为1987.9106 [M-H]⁻，误差仅3.2 ppm，证实了目标产物的正确结构。该工作实现了QS-21在烟草中的完整异源生物合成，为这一强效疫苗佐剂的工程化改造和结构-活性关系研究奠定了关键基础。
创新点
首次阐明了 QS-21 中独特的 C18 酰基链的生物合成途径；鉴定了 CCL1、PKS、KR、ACT 和 UGT 等新酶；在烟草中实现了 QS-21 的完整异源生物合成。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0229930 | CCL1 | 催化 | 催化 2-甲基丁酸生成 2-甲基丁酰-CoA (2-MB-CoA)，是酰基链合成的起始底物 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0216480 | CCL2 | 催化 | 较低活性地催化 2-甲基丁酰-CoA 生成，主要产生异丁酰-CoA |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0007680 | PKS1 | 催化 | III 型聚酮合酶，延伸 2-MB-CoA 生成 C9 酰基单元 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0170050 | PKS2 | 催化 | III 型聚酮合酶，参与 C9 酰基单元的延伸 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0181340 | PKS3 | 催化 | III 型聚酮合酶，参与 C9 酰基单元的延伸 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0268330 | PKS4 | 催化 | III 型聚酮合酶，可完全转化 2-MB-CoA 为疏水产物 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0268880 | PKS5 | 催化 | III 型聚酮合酶，产生 C9-δ-内酯活性最高 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0285490 | PKS6 | 催化 | III 型聚酮合酶，参与 C9 酰基单元的延伸 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0326850 | KR1 | 催化 | 酮还原酶，可能稳定 C9 酰基中间体，防止内酯化 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0235370 | KR2 | 催化 | 酮还原酶，还原 C9 酰基单元的酮基，预测靶向内质网 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0322030 | ACT2 | 催化 | BAHD 酰基转移酶，将第一个 C9 酰基单元转移到三萜骨架 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0264740 | ACT3 | 催化 | BAHD 酰基转移酶，将第二个 C9 酰基单元转移到三萜骨架生成 C18 酰基链 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径 | Qs0131010 | UGT73CZ2 | 催化 | 糖基转移酶，催化 UDP-L-Araf 转移到 C18 酰基链末端，完成 QS-21 合成 |
| Nicotiana benthamiana | QS-21 生物合成途径（前体供给） | Qs0222940 | QsTD | 催化 | 苏氨酸脱氨酶，催化苏氨酸转化为异亮氨酸，为酰基链合成提供前体 |
关键发现
- CCL1 (Qs0229930) 在酵母中产生最高水平的 2-MB-CoA/IV-CoA；PKS5 是产生 C9-δ-内酯最活跃的 PKS；通过 shotgun 表达鉴定出 5 个额外基因（KR1、KR2、ACT2、ACT3、UGT73CZ2）；在本氏烟草中生产 QS-21 的产量为
- 6 μg/g 干叶重；补充 1 mM 2-甲基丁酸使产量提高 2-4 倍；共表达反馈不敏感型 QsTD-P540L 使异亮氨酸含量提高 7-8 倍，使 QS-21 产量比野生型 TD 提高约 3 倍；纯化产物的 HRMS 实测 m/z 为
- 9106 [M-H]-，误差
- 2 ppm。
研究结论
成功鉴定并重构了完整的 QS-21 生物合成途径，在烟草中实现了该强效疫苗佐剂的异源生产，为疫苗佐剂的工程化改造和结构-活性研究奠定了基础。