The expression of 1-deoxy-D-xylulose synthase and geraniol-10-hydroxylase or anthranilate synthase increases terpenoid indole alkaloid accumulation in Catharanthus roseus hairy roots
- 作者
- Christie A.M. Peebles, Guy W. Sander, Erik H. Hughes, Ryan Peacock, Jacqueline V. Shanks, Ka-Yiu San
- 单位
- Rice University; Iowa State University
- 杂志
- Metabolic Engineering（2010）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2010.11.005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
长春花（Catharanthus roseus）中萜类吲哚生物碱（TIA）途径产量极低，尤其是抗癌药物长春碱和长春新碱含量微薄，需要解析通量限制并提高目标代谢物积累。
研究策略
构建可诱导过表达关键基因的长春花毛状根培养系，包括单基因（DXS、G10H、ASA）和双基因组合（DXS+G10H、DXS+ASA），通过地塞米松诱导后分析代谢物变化，评估不同组合对TIA通量的影响。
核心内容
为解析长春花中萜类吲哚生物碱（TIA）通量限制并提高目标产物积累，该研究构建了可诱导过表达关键酶的长春花毛状根培养系，包括单基因DXS、G10H、ASA以及双基因组合DXS+G10H和DXS+ASA，通过地塞米松诱导后分析代谢物变化。结果显示，DXS单独过表达使ajmalicine增加67%、serpentine增加26%，同时tabersonine降低66%；ASA单独过表达使色氨酸和色胺分别增加超过300倍和10倍，但仅lochnericine增加2倍，说明单一基因过表达效果有限并产生代谢物此消彼长问题。共过表达策略明显改善：DXS+G10H组合使ajmalicine增加16%、tabersonine增加13%，DXS+ASA组合使hörhammericine增加30%、tabersonine增加34%。该研究首次在长春花毛状根中协同过表达DXS与G10H或ASA，通过推-拉机制同时调控萜类和吲哚前体分支，实现了TIA通量的有效提升，表明多基因协同过表达是克服单基因调控瓶颈的可行策略。
创新点
首次在长春花毛状根中同时过表达DXS与G10H或DXS与ASA，利用"推-拉"机制协同调控萜类和吲哚两条前体分支，克服单一基因过表达导致的代谢物此消彼长和反馈抑制问题。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus hairy roots | MEP pathway (methyl-erythritol phosphate pathway) | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 来自拟南芥，催化MEP通路第一步 |
| Catharanthus roseus hairy roots | TIA pathway (terpenoid indole alkaloid pathway) | G10H | geraniol-10-hydroxylase | 催化 | 来自长春花，催化香叶醇羟基化 |
| Catharanthus roseus hairy roots | Indole pathway / tryptophan biosynthesis | ASA (ASα) | anthranilate synthase alpha subunit | 催化 | 来自拟南芥，反馈抑制不敏感突变体，催化分支酸转化为邻氨基苯甲酸 |
关键发现
- DXS单独过表达导致ajmalicine增加67%、serpentine增加26%、lochnericine增加49%，但tabersonine降低66%、hörhammericine降低54%
- DXS和G10H共过表达使ajmalicine增加16%、lochnericine增加31%、tabersonine增加13%
- DXS和ASA共过表达使hörhammericine增加30%、lochnericine增加27%、tabersonine增加34%。ASA单独过表达使色氨酸和色胺分别增加>300倍和10倍，但仅lochnericine增加2倍。共过表达策略可显著改善TIA积累。
研究结论
在长春花毛状根中，单一基因过表达效果有限且可能产生负面效应，同时过表达多个TIA途径关键酶（如DXS+G10H或DXS+ASA）是实现代谢产物显著积累的有效策略，未来需进一步优化各酶的表达水平。