The deoxyxylulose phosphate pathway of terpenoid biosynthesis in plants and microorganisms
- 作者
- Wolfgang Eisenreich, Matthias Schwarz, Alain Cartayrade, Duilio Arigoni, Meinhart H Zenk, Adelbert Bacher
- 单位
- Institut für Organische Chemie und Biochemie, Technische Universität München, Garching, Germany; Laboratorium für Organische Chemie, ETH Zürich, Zürich, Switzerland; Institut für Pharmazeutische Biologie, LMU München, München, Germany
- 杂志
- Chemistry & Biology（1998）
- DOI
- 10.1016/S1074-5521(98)90002-3
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示萜类生物合成的新途径（脱氧木酮糖磷酸途径）及其与甲羟戊酸途径的关系，阐明其在植物和微生物中的分布与进化。
研究策略
利用同位素标记实验、中间体喂饲、基因克隆与基因组序列分析等，系统研究萜类前体异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的生物合成途径。
核心内容
该研究系统揭示了萜类生物合成中除甲羟戊酸途径之外的另一条关键通路，即脱氧木酮糖磷酸途径。研究团队通过同位素标记实验、中间体喂饲、基因克隆及基因组序列分析等手段，证实该途径以甘油醛-3-磷酸和丙酮酸为底物，经硫胺素焦磷酸依赖的缩合反应生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸，其合成酶在大肠杆菌中约为65 kDa，在薄荷中约为71 kDa。同位素示踪表明，葡萄糖的三碳单元提供IPP的C-1、C-2、C-4，二碳单元提供C-3、C-5，且存在分子内重排。研究发现两条途径在植物细胞中呈区室化分布，甲羟戊酸途径位于细胞质，DXP途径位于质体，但存在少量代谢物交叉：银杏中约1–2%的银杏内酯异戊二烯前体来自甲羟戊酸途径，而长春花细胞中约6%的谷甾醇构建单位来自DXP途径。该发现不仅解释了此前难以理解的标记实验数据，也确立了DXP途径在微生物和植物质体中的核心地位，为后续解析该途径完整酶系及代谢工程改造萜类合成奠定了重要基础。
创新点
首次系统综述了非甲羟戊酸的脱氧木酮糖磷酸途径；证明该途径以甘油醛-3-磷酸和丙酮酸为底物；揭示植物中两条途径的区室化分布和交叉对话；克隆了DXP合酶基因。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 脱氧木酮糖磷酸途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶 | 催化 | 催化丙酮酸与甘油醛-3-磷酸缩合生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸，65 kDa酶，基因与ispA相邻。 |
| Mentha x piperita | 脱氧木酮糖磷酸途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶 | 催化 | 克隆自薄荷，含质体靶向序列，基因产物约71 kDa。 |
| Ginkgo biloba | 脱氧木酮糖磷酸途径/甲羟戊酸途径 | — | — | 区室化 | 银杏内酯由质体DXP途径合成，谷甾醇由胞质甲羟戊酸途径合成，约1-2%的银杏内酯前体来自甲羟戊酸途径。 |
| Catharanthus roseus | 脱氧木酮糖磷酸途径 | — | — | 催化 | 植醇和类胡萝卜素主要由DXP途径合成，谷甾醇的6%来自DXP途径。 |
| Corynebacterium ammoniagenes | 脱氧木酮糖磷酸途径 | — | — | 催化 | 发现2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环焦磷酸，标记模式与异戊二烯侧链一致。 |
| Escherichia coli | 脱氧木酮糖磷酸途径 | dxr | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 催化1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸生成2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸（Kuzuyama等初步报道）。 |
关键发现
- 发现脱氧木酮糖磷酸（DXP）途径，由甘油醛-3-磷酸和丙酮酸经硫胺素焦磷酸依赖的缩合生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸，该酶在大肠杆菌中为65 kDa，在薄荷中为71 kDa。
- 同位素示踪显示葡萄糖的三碳单元（C-6,C-5,C-4）提供IPP的C-1,C-2,C-4，二碳单元提供C-3,C-5，且存在分子内重排。
- 在Ginkgo biloba中，约1-2%的银杏内酯异戊二烯前体来自甲羟戊酸途径；在Catharanthus roseus细胞中，约6%的谷甾醇构建单位来自DXP途径。
- 1-脱氧-D-木酮糖可高效掺入异戊二烯侧链，并证实可通过重排生成2-C-甲基-D-赤藓醇中间体。
- 两条途径在植物中存在区室化，甲羟戊酸途径在细胞质，DXP途径在质体，并有少量代谢物交叉。
研究结论
萜类生物合成并非仅依赖甲羟戊酸途径，细菌和植物质体中存在脱氧木酮糖磷酸途径；该途径的关键酶已部分克隆，但后续步骤尚待阐明；两条途径间的代谢物交换解释了早前难以解释的标记实验数据。