A cellulose synthase-derived enzyme catalyses 3-O-glucuronosylation in saponin biosynthesis
- 作者
- Soo Yeon Chung, Hikaru Seki, Yukiko Fujisawa, Yoshikazu Shimoda, Susumu Hiraga, Yuhta Nomura, Kazuki Saito, Masao Ishimoto, Toshiya Muranaka
- 杂志
- Nature Communications（2020）
- DOI
- 10.1038/s41467-020-19399-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定催化三萜皂苷C-3位葡萄糖醛酸化的酶，这是甘草酸和豆皂苷生物合成途径中缺失的关键酶。
研究策略
通过基因共表达分析锁定候选基因CSyGT；在酵母中异源表达验证酶活；利用植物突变体进行功能互补；亚细胞定位和系统发育分析；最终在酵母中重构完整甘草酸合成途径实现从头合成。
研究路线图
核心内容
该研究鉴定了一类源自纤维素合酶超家族的新型糖基转移酶CSyGT，其催化三萜皂苷C-3位葡萄糖醛酸化，填补了甘草酸和豆皂苷生物合成途径中最后一步关键酶的缺失。通过基因共表达分析锁定候选基因，在酵母中异源表达验证了来自甘草、百脉根和大豆的CSyGT均能催化对应苷元生成单葡萄糖醛酸苷；百脉根LjCSyGT突变体中大豆皂苷Bb完全消失，回补表达后恢复，证实其体内功能。CSyGT定位于内质网，且特异性选择UDP-葡萄糖醛酸作为糖供体。将CSyGT与上游途径酶在酵母中重构完整甘草酸合成通路，实现从头合成，5天产量最高528.1 μg/L，10天达791 μg/L。该发现打破了糖基转移酶仅来自UGT家族的认知，完善了甘草酸生物合成途径，为高价值三萜皂苷的微生物细胞工厂生产提供了关键酶元件和可行策略。
创新点
发现纤维素合酶超家族来源的糖基转移酶CSyGT催化三萜皂苷3-O-葡萄糖醛酸化，而非传统的UGT；解析了甘草酸完整生物合成途径；实现了甘草酸在酵母中的从头合成。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | GuCSyGT | GuCSyGT | 催化 | 来自甘草（Glycyrrhiza uralensis），催化甘草次酸3-O-葡萄糖醛酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | LjCSyGT | LjCSyGT | 催化 | 来自百脉根（Lotus japonicus），催化大豆皂苷元B等C-3位葡萄糖醛酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | GmCSyGT1 | GmCSyGT1 | 催化 | 来自大豆（Glycine max），催化多种三萜苷元葡萄糖醛酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | GmCSyGT2 | GmCSyGT2 | 催化 | 与GmCSyGT1同源，具有葡萄糖醛酸转移酶活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜皂苷生物合成 | GmCSyGT3 | GmCSyGT3 | 催化 | 底物谱更广，还能催化熊果酸和桦木酸的葡萄糖醛酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 细胞壁生物合成（推测） | GmCsIM1 | GmCsIM1 | 催化 | 属于CsIM亚家族，未检测到三萜葡萄糖醛酸转移酶活性，可能参与细胞壁多糖合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 细胞壁生物合成（推测） | GmCsIM2 | GmCsIM2 | 催化 | 类似于GmCsIM1，无三萜糖基化活性 |
| Saccharomyces cerevisiae | UDP-葡萄糖醛酸生物合成 | UGD | UDP-葡萄糖脱氢酶 | 催化 | 将内源UDP-葡萄糖氧化为UDP-葡萄糖醛酸，为糖基化提供供体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘草酸生物合成 | UGT73P12 | UGT73P12 | 催化 | 催化甘草次酸-3-O-葡萄糖醛酸苷的第二次葡萄糖醛酸化，生成甘草酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘草酸生物合成 | UGT73P12v | UGT73P12v | 催化 | UGT73P12的天然变体，特异性改变，催化葡萄糖转移生成葡萄糖甘草酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘草酸生物合成 | GuUGT73F13 | GuUGT73F13 | 催化 | 催化甘草次酸3-O-葡萄糖基化，而非葡萄糖醛酸化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 三萜骨架合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯环化为β-amyrin |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘草酸生物合成 | CYP88D6 | CYP88D6 | 催化 | 细胞色素P450，催化β-amyrin C-11氧化 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甘草酸生物合成 | CYP72A63 | CYP72A63 | 催化 | 来自蒺藜苜蓿的P450，催化C-30氧化生成甘草次酸 |
| Lotus japonicus | 大豆皂苷生物合成 | LjCSyGT | LjCSyGT | 催化 | 在LjCSyGT突变体中表达可恢复大豆皂苷Bb合成，定位内质网 |
| Lotus japonicus | 大豆皂苷生物合成 | GuCSyGT | GuCSyGT | 催化 | 异源表达于突变体可互补大豆皂苷合成 |
| Lotus japonicus | 大豆皂苷生物合成 | GmCSyGT1 | GmCSyGT1 | 催化 | 同样可互补大豆皂苷合成 |
关键发现
- 三个物种的CSyGT在酵母中催化对应三萜苷元生成单葡萄糖醛酸苷
- LjCSyGT突变体检测不到大豆皂苷Bb，而表达CSyGT后恢复
- 在酵母中从头合成甘草酸，5天产量最高528.1 μg/L，10天最高791 μg/L
- GmCSyGT1和GmCsIM1氨基酸序列一致性仅为43%
- CSyGT定位在内质网
- GuCSyGT特异性选择UDP-葡萄糖醛酸作为糖供体。
研究结论
本研究鉴定并表征了一类新型糖基转移酶CSyGT，填补了甘草酸生物合成途径的最后一步关键酶，并成功在酵母中从头合成甘草酸，为高价值皂苷的微生物生产奠定了基础。