Genome of Triptygium wilfordii and identification of cytochrome P450 involved in triptolide biosynthesis
- 作者
- Lichan Tu, Ping Su, Zhongren Zhang, Linhui Gao, Jiadian Wang, Tianyuan Hu, Jiawei Zhou, Yifeng Zhang, Yujun Zhao, Yuan Liu, Yadi Song, Yuru Tong, Yun Lu, Jian Yang, Cao Xu, Meirong Jia, Reuben J. Peters, Luqi Huang, Wei Gao
- 杂志
- Nature Communications（2020）
- DOI
- 10.1038/s41467-020-14776-1
- 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
解析雷公藤内酯（triptolide）的生物合成途径，鉴定参与其生物合成的细胞色素P450酶，为异源生物生产奠定基础。
研究策略
整合基因组、转录组和代谢组数据构建基因-代谢物网络，结合系统发育分析、RNAi敲降、过表达及酵母异源表达对候选CYP基因进行功能验证。
研究路线图
核心内容
该研究整合基因组、转录组和代谢组数据，首次组装了卫矛目植物雷公藤的参考级基因组，基因组大小约348.38 Mb，注释到28,321个蛋白编码基因，并发现约21±6百万年前的近期全基因组三倍化事件推动了雷公藤内酯生物合成相关基因家族扩张。通过构建基因-代谢物网络并结合系统发育分析，研究人员筛选出候选细胞色素P450基因，利用RNAi敲降、过表达及酵母异源表达进行功能验证，鉴定出CYP728B70催化脱氢枞酸生物合成中C-18甲基的连续氧化反应。MeJA诱导360小时后雷公藤内酯含量提高3.6倍，triptophenolide提高55倍；RNAi敲降CYP728B70等四个CYP基因可显著降低雷公藤内酯积累，而过表达CYP728B70使雷公藤内酯含量提高约70%，达到30.5 μg/g。该研究为完全解析雷公藤内酯生物合成途径及在异源宿主中实现其生产奠定了重要基础。
创新点
首次组装卫矛目植物雷公藤的参考级基因组；发现近期全基因组三倍化事件（约21±6 MYA）推动雷公藤内酯生物合成基因家族扩张；鉴定CYP728B70催化脱氢枞酸生物合成中C-18甲基的连续氧化反应。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Tripterygium wilfordii（雷公藤） | 雷公藤内酯（triptolide）生物合成途径 | TwCPS1 | CPS1（柯巴基二磷酸合酶） | 催化 | 催化GGPP环化生成CPP，为雷公藤内酯合成提供前体 |
| Tripterygium wilfordii | 雷公藤内酯生物合成途径 | TwMS | MS（米尔替二烯合酶） | 催化 | 催化CPP环化生成米尔替二烯（miltradiene） |
| 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）菌株WAT11或工程菌株PS2 | 雷公藤内酯生物合成下游氧化模块 | TwCYP728B70 | CYP728B70（细胞色素P450氧化酶） | 催化 | 催化C-18甲基经连续氧化生成醇、醛、酸，形成脱氢枞酸等中间体 |
| 酿酒酵母工程菌株BY-HZ16/PS2 | 甲羟戊酸（MVA）途径及萜类前体供给 | tHMG1, ERG20, BTS1, SaGGPS | HMG-CoA还原酶、法尼基焦磷酸合酶、牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶等 | 催化 | 通过CRISPR/Cas9敲除rox1/ypl062w/yjl06w4、下调ERG9并过表达上述基因以增强GGPP供应 |
| 酿酒酵母工程菌株PS2 | 米尔替二烯合成模块 | SmCPS1-SmMS（融合基因） | 丹参CPS1-MS融合蛋白 | 催化 | 双拷贝融合模块整合至基因组，提高米尔替二烯产量 |
| 酿酒酵母WAT11（表达拟南芥CPR） | 雷公藤内酯生物合成体外验证 | TwCPR3（或拟南芥CPR） | NADPH-细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CYP728B70提供电子，支持其氧化反应 |
关键发现
- 雷公藤基因组估计大小约365.95 Mb，最终组装348.38 Mb，contig N50
- 36 Mb，scaffold N50
- 52 Mb；注释到28,321个蛋白编码基因；近期全基因组三倍化事件约21±6 MYA；MeJA诱导360 h后雷公藤内酯含量提高3.6倍，triptophenolide提高55倍；RNAi敲降CYP728B70等4个CYP基因显著降低雷公藤内酯积累；酵母中异源表达CYP728B70生成脱氢枞酸、米尔替二烯酸、脱氢枞醇等产物；过表达CYP728B70使雷公藤内酯含量提高约70%，达到30.5 μg/g。
研究结论
本研究提供了雷公藤参考级基因组，并通过多组学整合与功能验证鉴定了CYP728B70在雷公藤内酯生物合成中的关键催化作用，为完全解析该途径及异源生产提供了重要基础。