Evolution of linear triterpenoid biosynthesis within the Euphorbia genus
- 作者
- Tomasz Czechowski, Yi Li, Alison D. Gilday, David Harvey, Sandesh H. Swamidatta, Benjamin R. Lichman, Jane L. Ward, Ian A. Graham
- 单位
- University of York, UK; Rothamsted Research, UK
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-60708-2
- 所属领域
- 合成生物学 / 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示大戟属（Euphorbia）中线性三萜peplusol生物合成的进化起源与分子机制，并鉴定其合成酶基因，以实现异源生产。
研究策略
利用E. peplus基因组与E. lateriflora转录组挖掘鲨烯合酶同源基因；在烟草和酵母中进行异源表达与功能表征；通过系统发育分析、AlphaFold3结构建模和活性位点氨基酸互换（hexa/heptaswap）验证酶功能转换；并通过共表达截短HMG-CoA还原酶提高前体供应。
核心内容
该研究揭示了大戟属中线性三萜peplusol生物合成的进化起源与分子机制，并实现了其异源生产。通过挖掘E. peplus基因组与E. lateriflora转录组中的鲨烯合酶同源基因，在烟草和酵母中异源表达并功能表征，首次鉴定出两个peplusol合酶EpPS和EIPS，证明其由鲨烯合酶基因复制后新功能化而来。系统发育与比较基因组分析表明，该基因源自约3420万年前大戟属共同祖先的复制事件，在E. lathyris和E. pulcherrima谱系中丢失。通过活性位点氨基酸互换实验，六交换突变体使鲨烯合酶获得peplusol活性，七交换突变体则使peplusol合酶转向鲨烯合成，证实关键残基决定产物特异性。在烟草中共表达截短HMG-CoA还原酶后，peplusol产量达叶片干重的2.5%，较对照提高35倍；在酵母中过表达EpSS-L1使peplusol产量达23 mg/L。该工作为线性三萜的可持续生产提供了合成生物学路线。
创新点
首次鉴定并功能表征了两个peplusol合酶（EpPS和EIPS），证明其由鲨烯合酶基因复制后新功能化而来；通过6个和7个氨基酸交换实现鲨烯合酶与peplusol合酶活性互转；在烟草中实现peplusol高达2.5%叶片干重的产量。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Euphorbia peplus | 三萜生物合成（甲羟戊酸途径） | EpSS-L1 (EpPS) | Peplusol synthase | 催化 | 编码peplusol合酶，催化两分子FPP生成peplusol，并具有少量鲨烯合酶活性 |
| Euphorbia peplus | 三萜生物合成（甲羟戊酸途径） | EpSS-L2 (EpSS) | Squalene synthase | 催化 | 编码鲨烯合酶，催化FPP生成鲨烯，保留祖先功能 |
| Euphorbia lateriflora | 三萜生物合成（甲羟戊酸途径） | EISS-L1 (EIPS) | Peplusol synthase | 催化 | 与EpSS-L1高度同源，编码功能性peplusol合酶 |
| Euphorbia lateriflora | 三萜生物合成（甲羟戊酸途径） | EISS-L2 | Squalene synthase | 催化 | 推断编码鲨烯合酶，在烟草中表达未产生peplusol但增加2,3-氧化鲨烯水平 |
| Nicotiana benthamiana | 甲羟戊酸途径 | AtHMGRt | truncated HMG-CoA reductase | 催化 | 截短的拟南芥HMG-CoA还原酶，去除反馈调控，增加FPP前体供应 |
| Nicotiana benthamiana | 三萜生物合成 | AtSS | Squalene synthase | 催化 | 拟南芥鲨烯合酶，作为对照 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径 | tHMGI | truncated HMG-CoA reductase | 催化 | 酵母截短HMG-CoA还原酶，增强甲羟戊酸途径通量 |
| Escherichia coli | 三萜生物合成（体外） | EpSS-L1, EpSS-L2, AtSS, 突变体 | Peplusol synthase / Squalene synthase | 催化 | 用于体外酶活检测的重组蛋白表达宿主 |
关键发现
- 在烟草中表达EpSS-L1并共表达AtHMGRt后，peplusol产量达到叶片干重的2.5%以上，较不共表达HMGRt提高35倍
- 在酵母中EpSS-L1过表达使peplusol产量达23 mg/L（细胞沉淀），全培养物中约30 mg/L，且细胞沉淀中浓度比培养基高17倍。EpSS-L2和EISS-L2被证实为功能性鲨烯合酶。EISS-L1在烟草中共表达HMGRt后peplusol达1.4%干重，提高20倍。活性位点六交换突变体EpSS-L2to-L1可产生peplusol，达到EpSS-L1产量的40%，同时鲨烯产量降低4倍
- 七交换突变体EpSS-L1to-L2获得鲨烯合酶活性，而peplusol活性降低50倍。系统发育和比较基因组分析表明，peplusol合酶基因源于约3420万年前大戟属共同祖先中鲨烯合酶基因的复制和新功能化，E. lathyris和E. pulcherrima谱系中该基因丢失。体外酶活实验显示EpSS-L1主要产生peplusol，其产量比AtSS产生鲨烯低约100倍。
研究结论
大戟属中peplusol合酶由鲨烯合酶基因经复制和新功能化演化而来，关键氨基酸残基决定了产物特异性；通过异源表达和代谢工程，EpPS可在烟草和酵母中高效驱动peplusol合成，为线性三萜的可持续生产提供了合成生物学路线。