Noncanonical terpene cyclases for the biosynthesis of diterpenoids regulating chlamydospore formation in plant-associated Trichoderma
- 作者
- Min-Jie Yang, De-Sen Li, Hua-Qin Deng, Wen-Yuan Li, Xin-Yu Zheng, Jonathan Gershenzon, Xue-Mei Niu, Yan Liu, Sheng-Hong Li
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-63055-4
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
木霉属真菌中特征性二萜类化合物（harzianes和trichodermamins）的生物合成酶长期未知，及其生物学功能不明。
研究策略
采用酶活性指导的蛋白分离结合比较转录组分析，通过异源表达、基因敲除和体外酶活实验鉴定关键酶，并结合结构模拟和定点突变解析催化机制，进一步通过基因缺失和化合物回补研究生物学功能。
核心内容
该研究从植物共生真菌木霉中鉴定出一类全新的非经典萜烯环化酶家族TriDTCs，负责将GGPP环化为特征性二萜化合物harzianol I和wickerol A，从而填补了该类化合物生物合成酶长期未知的空白。研究采用酶活性指导的蛋白分离结合比较转录组分析，通过异源表达、基因敲除和体外酶活实验确认了关键酶功能，并利用结构模拟和定点突变解析了其独特的催化机制——该酶缺乏所有已知保守基序，依赖DxxDxxxD天冬氨酸三联体执行环化，缬氨酸残基调节产物特异性，“守门”残基控制酶活性。在米曲霉中以天然启动子表达时，harzianol I产量达10.09 mg/L；敲除tri4155的突变株生长半径增加约20%且丧失厚垣孢子形成能力，补充400 μM harzianol I可恢复该表型。该发现揭示TriDTCs通过产物harzianol I调控厚垣孢子形成，影响真菌生存策略，拓展了萜烯环化酶的多样性与生物学意义，并为增强木霉生防效果和二萜药理研究提供了新途径。
创新点
发现了一类全新的萜烯环化酶家族TriDTCs，它们缺乏所有已知的保守基序，代表一种新的酶类；阐明了其独特的催化机制（DxxDxxxD天冬氨酸三联体、缬氨酸残基调节产物特异性、‘守门’残基控制活性）；发现TriDTCs及产物harzianol I调控厚垣孢子形成，为增强木霉生防效果提供新策略。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trichoderma atroviride B7 / E. coli BL21 / Aspergillus oryzae NSAR1 | 二萜生物合成 | tri4155 | Tri4155 | 催化 | 非经典二萜环化酶，催化GGPP环化生成harzianol I和wickerol A，参与厚垣孢子形成调控 |
| Trichoderma citrinoviride / E. coli BL21 | 二萜生物合成 | tcie612 | Tcie612 | 催化 | TriDTC同源酶，与Tri4155有60.41%序列同一性，体外活性更高，但只产生harzianol I |
| Trichoderma atroviride B7 | 萜类前体生物合成 | triTPS4 | TriTPS4 | 催化 | GGPP合酶，为二萜环化酶提供底物GGPP |
| E. coli BL21 | 萜类前体生物合成 | crtE | CrtE | 催化 | 来源于Erwinia的GGPP合酶，用于工程菌提供FPP和GGPP前体 |
关键发现
- 鉴定出TriDTCs家族负责将GGPP环化为harzianol I和wickerol A。在E. coli中共表达tri4155与triTPS4时，harzianol I产量为3.55 ±
- 85 mg/L，wickerol A为0.20 ±
- 05 mg/L；在A. oryzae中使用天然启动子时产量分别达10.09 ±
- 08 mg/L和1.55 ±
- 39 mg/L；Tcie612在E. coli中产量高达33.34 ±
- 71 mg/L。Tcie612对GGPP的Km值为86.1 ±
- 19 μM。Δtri4155突变株生长半径比野生型增加约20%，且不能形成厚垣孢子，补充400 μM化合物1可恢复厚垣孢子形成。TriDTCs在Trichoderma属中高度功能特异，7个Trichoderma同源物有活性，而Metarhizium和Ophiocordyceps同源物无活性。
研究结论
本研究发现Trichoderma通过一类前所未有的非经典萜烯环化酶TriDTCs合成特征性二萜化合物，这些酶具有独特的催化机制，并通过其产物harzianol I调节厚垣孢子形成，从而影响真菌的生存策略。该研究拓展了萜烯环化酶的多样性和生物学意义，为增强木霉生防效果及二萜类化合物的药理研究提供了新途径。