Deoxyxylulose phosphate pathway to terpenoids
- 作者
- Wolfgang Eisenreich, Felix Rohdich, Adelbert Bacher
- 杂志
- Trends in Plant Science（2000）
- DOI
- 10.1016/s1360-1385(00)01812-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明除甲羟戊酸途径之外、广泛分布于细菌和植物中的非甲羟戊酸途径——脱氧木酮糖磷酸途径的生化机制、关键酶与基因，并评估其作为药物和除草剂靶点的潜力。
研究策略
结合体内同位素标记实验、基因组序列同源性分析、重组蛋白表达与酶动力学表征，系统鉴定脱氧木酮糖磷酸途径中的酶和基因。
核心内容
该文系统阐明了脱氧木酮糖磷酸途径的生化机制及其在细菌、藻类和植物中的广泛分布。作者结合体内同位素标记、基因组同源性分析和重组蛋白酶动力学表征，鉴定出该途径的关键酶与基因，包括dxs、dxr以及新发现的ispD、ispE、ispF。研究表明，甲羟戊酸在植物萜类中的掺入率通常低于1%，两种IPP合成途径之间的串扰贡献也小于1%，说明脱氧木酮糖磷酸途径是这些生物中IPP/DMAPP生物合成的主要途径。酶动力学数据显示，大肠杆菌DXR的催化速率为11.8 μmol min⁻¹ mg⁻¹，而fosmidomycin对其抑制常数Ki仅38 nM，显示该抑制剂的高效性；IspE对异戊烯基单磷酸的磷酸化活性极低，近期重组酶研究显示每毫克蛋白每分钟低于0.002 nmol。该途径不存在于人类，因此是开发新型抗生素、抗疟药和除草剂的理想靶点，同时为萜类化合物的生物技术生产奠定基础。
创新点
系统综述了脱氧木酮糖磷酸途径的发现与分布；利用生物信息学从基因组中鉴定了ispD、ispE、ispF等新基因；证明该途径不存在于人体，可作为新型抗生素、抗疟药和除草剂的靶点。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | deoxyxylulose phosphate pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 催化丙酮酸与D-甘油醛3-磷酸缩合生成1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸 |
| Escherichia coli | deoxyxylulose phosphate pathway | dxr | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | NADPH依赖的还原异构化，生成2C-甲基-D-赤藓糖醇4-磷酸；被fosmidomycin抑制，Ki为38 nM |
| Escherichia coli | deoxyxylulose phosphate pathway | ispD | 4-diphosphocytidyl-2C-methyl-D-erythritol synthase | 催化 | 催化MEP与CTP缩合生成CDP-ME |
| Escherichia coli | deoxyxylulose phosphate pathway | ispE | 4-diphosphocytidyl-2C-methyl-D-erythritol kinase | 催化 | ATP依赖的磷酸化，生成CDP-ME 2-磷酸 |
| Escherichia coli | deoxyxylulose phosphate pathway | ispF | 2C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase | 催化 | 催化环化生成2C-甲基-D-赤藓糖醇2,4-环二磷酸 |
| Arabidopsis thaliana | deoxyxylulose phosphate pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 具有质体靶向序列，定位于质体 |
| Plasmodium falciparum | deoxyxylulose phosphate pathway | dxr | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 被fosmidomycin抑制，是抗疟药物靶点 |
| Mentha piperita | deoxyxylulose phosphate pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 克隆并表征，具有质体靶向序列 |
| Lycopersicon esculentum | deoxyxylulose phosphate pathway | ispE | 4-diphosphocytidyl-2C-methyl-D-erythritol kinase | 催化 | 与番茄果实成熟中质体发育相关 |
| Synechocystis | deoxyxylulose phosphate pathway | dxr | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 作为B类脱氢酶，立体化学特征已研究 |
关键发现
- 甲羟戊酸在植物萜类中的掺入率通常低于1%
- 完整植物中两种IPP合成途径之间的串扰贡献通常小于1%
- fosmidomycin对1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶的抑制常数Ki为38 nM
- E. coli DXR的催化速率为11.8 μmol min-1 mg-1（以Mn2+为辅助因子，pH 7.5）
- E. coli IspE的催化速率为34 μmol min-1 mg-1，番茄IspE为33 μmol min-1 mg-1
- E. coli IspE对异戊烯基单磷酸的磷酸化速率仅为1.0 nmol min-1 mg-1，薄荷IspE为0.1 nmol min-1 mg-1，而近期的重组酶研究显示该速率低于0.002 nmol min-1 mg-1
- E. coli DXS对D-甘油醛3-磷酸的KM为96 μM，对丙酮酸的KM为250 μM。
研究结论
脱氧木酮糖磷酸途径是细菌、藻类和植物中IPP/DMAPP生物合成的主要或唯一途径，与甲羟戊酸途径存在区室化分布和少量串扰。该途径不存在于人类，是开发新型抗生素、抗疟药和除草剂的理想靶点，也为萜类化合物的生物技术生产提供基础。