The Taxus genome provides insights into paclitaxel biosynthesis
- 作者
- Xingyao Xiong, Junbo Gou, Qinggang Liao, Yanlin Li, Qian Zhou, Guiqi Bi, Chong Li, Ran Du, Xiaotong Wang, Tianshu Sun, Lvjun Guo, Haifei Liang, Pengjun Lu, Yaoyao Wu, Zhonghua Zhang, Dae-Kyun Ro, Yi Shang, Sanwen Huang, Jianbin Yan
- 杂志
- Nature Plants（2021）
- DOI
- 10.1038/s41477-021-00963-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏红豆杉参考基因组，限制了对紫杉醇生物合成途径及其调控机制的全面解析。
研究策略
通过PacBio、Illumina和Hi-C技术组装染色体级红豆杉基因组，结合比较基因组学、基因家族进化分析、转录组共表达网络、体外生化实验和异源表达验证，揭示紫杉醇生物合成相关基因的分布、组织与功能。
研究路线图
核心内容
该研究首次完成了南方红豆杉染色体级别的参考基因组组装，基因组大小达10.23 Gb，contig N50为2.44 Mb，12条假染色体覆盖了96.28%的基因组序列，共注释出42,746个蛋白编码基因。通过比较基因组学和转录组共表达网络分析，研究发现紫杉醇生物合成相关的CYP725A亚家族基因呈现独特的基因组组织模式，79个成员中74.68%集中于9号染色体，形成多个基因群，其中9.1和9.2基因群包含了所有已知的紫杉醇途径CYP725A基因。研究还鉴定了包含紫杉二烯合酶TS2/TS3和羟化酶T5αH1/T5αH2的紫杉二烯生物合成基因簇。酶动力学实验显示TS2的kcat值为3282 s⁻¹，约为TS1的两倍，催化效率更高。在工程大肠杆菌中表达TS2，经60小时发酵后紫杉二烯产量比表达TbTS的菌株高出10倍以上。该染色体级基因组为紫杉醇生物合成途径的完整解析和代谢工程改造提供了重要基础。
创新点
首次完成染色体级红豆杉基因组（10.23 Gb）；发现CYP725A基因在基因组中的独特物理和功能分组；鉴定紫杉二烯生物合成基因簇和新型TS酶TS2；证明TS2在工程大肠杆菌中显著提高紫杉二烯产量。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | TS1 | taxadiene synthase 1 | 催化 | I型紫杉二烯合酶，催化GGPP环化生成taxadiene，组成型表达维持基础taxane水平。 |
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | TS2 | taxadiene synthase 2 | 催化 | II型紫杉二烯合酶，与TS1仅77-78%同源，受茉莉酸强烈诱导，催化效率更高（kcat=3282 s^-1）。 |
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | TS3 | taxadiene synthase 3 | 催化 | 与TS2共享99.96%核苷酸一致性，位于紫杉二烯基因簇中。 |
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | T5αH1 | taxadiene 5-α-hydroxylase 1 | 催化 | 催化taxadiene C5位羟基化，位于紫杉二烯基因簇中。 |
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | T5αH2 | taxadiene 5-α-hydroxylase 2 | 催化 | 与T5αH1共享98.67%核苷酸一致性，位于基因簇中。 |
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | T5αH3 | taxadiene 5-α-hydroxylase 3 | 催化 | 位于基因簇上游，具有T5αH活性。 |
| Taxus chinensis var. mairei | 紫杉醇生物合成途径 | CYP725A基因群 | CYP725A亚家族P450酶 | 催化 | 包括已知紫杉醇途径羟化酶/氧化酶，共79个基因，74.68%位于9号染色体，形成基因群9.1和9.2，响应茉莉酸诱导。 |
| Escherichia coli | 紫杉二烯异源生物合成 | TS2 | taxadiene synthase 2 | 催化 | 在工程菌中替代TbTS，60小时发酵紫杉二烯产量提高10倍以上。 |
关键发现
- 完成了红豆杉（Taxus chinensis var. mairei）10.23 Gb的染色体级基因组，contig N50达2.44 Mb，12条假染色体覆盖96.28%的基因组序列
- 注释了42,746个蛋白编码基因
- 重复序列占76.09%，其中LTR占52.38%。CYP450基因共649个，其中CYP725A亚家族有79个基因，74.68%位于9号染色体，形成多个基因群，其中9.1和9.2含所有已知紫杉醇途径CYP725A基因。鉴定了紫杉二烯基因簇，包含TS2/TS3（共享99.96%核苷酸一致性）和T5αH1/T5αH2（共享98.67%一致性）。酶动力学显示TS2的kcat（3282 s^-1）约为TS1（1705 s^-1）的两倍，催化效率更高。在工程大肠杆菌中，表达TS2的菌株在60小时发酵后紫杉二烯产量比表达TbTS的菌株高10倍以上。此外，发现两个未知CYP725A（55305455和55326109）与途径基因共表达并受茉莉酸诱导，但无T5αH活性。
研究结论
本研究提供了红豆杉染色体级别参考基因组，揭示了紫杉醇生物合成基因的独特进化与基因组组织模式，鉴定了紫杉二烯基因簇及新型TS酶，为紫杉醇生物合成途径的完整解析和代谢工程改造奠定了重要基础。