Post-translational events and modifications regulating plant enzymes involved in isoprenoid precursor biosynthesis
- 作者
- Andrea Hemmerlin
- 单位
- Institut de Biologie Moléculaire des Plantes du Centre National de la Recherche Scientifique, IBMP-CNRS- UPR2357, Université de Strasbourg
- 杂志
- Plant Science（2013）
- DOI
- 10.1016/j.plantsci.2012.12.008
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物类异戊二烯前体生物合成关键酶（特别是HMG-CoA还原酶和MEP途径酶）的翻译后调控机制尚未被充分认识，而转录水平研究往往不能反映真实酶活性，需要系统解析翻译后事件。
研究策略
系统综述翻译后调控的四个主要类别：代谢物-酶相互作用（变构调节）、结构调节（蛋白质结构变体、多蛋白复合物）、氧化还原调节、共价翻译后修饰（磷酸化、泛素化、糖基化），并整合相关实验证据。
核心内容
该文系统综述了植物类异戊二烯前体生物合成中关键酶的翻译后调控机制，指出转录水平研究无法全面反映真实酶活性，从而整合分析了四类调控方式：代谢物—酶变构互作、结构调节（蛋白质变体及多蛋白复合物）、氧化还原调节及共价修饰（磷酸化、泛素化、糖基化）。关键结果包括：拟南芥HMGR1的Ser577磷酸化由SnRK1激酶催化并负调控其活性，可被蛋白磷酸酶2A逆转；过表达芥菜型HMG-CoA合酶突变体使酶活性提高10倍并诱导拟南芥HMGR转录。甲羟戊酸激酶受FPP、IPP等中间体反馈抑制，其中FPP表现为ATP竞争性抑制剂；拟南芥MDS晶体结构显示其空腔无法结合GPP或FPP，与细菌MDS不同，提示调控机制存在物种差异。植物HDS为氧敏感的[4Fe-4S]蛋白，活性依赖光合电子传递和硫氧还蛋白。该综述强调翻译后调控是酶活性快速响应环境变化的核
创新点
整合分析并强调了翻译后调控在植物类异戊二烯途径中的核心作用；指出单一转录水平研究的局限性；提出了从多水平、多层面全面理解代谢调控的视角。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA (甲羟戊酸途径) | At1G76490 (HMG1) | HMG-CoA还原酶 (HMGR1) | 催化 | 限速酶，N端膜结构域，Ser577磷酸化负调控，受蛋白磷酸酶2A调控 |
| 拟南芥 (过表达Brassica juncea基因) | MVA (甲羟戊酸途径) | HMGS1 | HMG-CoA合酶 (HMGS1) | 催化 | 受底物乙酰乙酰-CoA和产物HMG-CoA反馈抑制；突变体活性提高10倍 |
| 长春花 (Catharanthus roseus) | MVA (甲羟戊酸途径) | MK | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 受FPP、IPP、DMAPP、GPP等异戊二烯中间体反馈抑制，FPP为ATP的竞争性抑制剂 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP (甲基赤藓醇磷酸途径) | DXS1 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 (DXS1) | 催化 | 存在磷酸化修饰，可能受到翻译后调控 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP (甲基赤藓醇磷酸途径) | MDS | 2C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸合酶 | 催化 | 晶体结构显示与细菌酶不同，不能结合GPP/FPP，可能结合单磷酸化合物 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP (甲基赤藓醇磷酸途径) | HDS | 1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基4-二磷酸合酶 | 催化 | 含约30 kDa额外结构域，为[4Fe-4S]蛋白，氧敏感，依赖光合电子传递和硫氧还蛋白 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA (甲羟戊酸途径) | PP2A (B'调节亚基) | 蛋白磷酸酶2A (PP2A) | 调控 | 通过去磷酸化逆转HMGR活性，负调控HMGR蛋白水平，正调控HMG1转录 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MVA (甲羟戊酸途径) | SnRK1 | SnRK1激酶 | 调控 | 磷酸化HMGR Ser577，导致酶活性下降 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP (甲基赤藓醇磷酸途径) | TRX | 硫氧还蛋白 | 能量供给 | 为HDS等酶提供还原力，参与氧化还原调控 |
关键发现
- 拟南芥HMG-CoA还原酶HMGR1的Ser577磷酸化负调控其活性，磷酸化由SnRK1激酶催化并可为蛋白磷酸酶2A逆转。过表达Brassica juncea HMG-CoA合酶突变体可使酶活性提高10倍，并诱导拟南芥HMG-CoA还原酶转录。甲羟戊酸激酶受FPP、IPP、DMAPP、GPP等异戊二烯中间体反馈抑制，其中FPP对长春花甲羟戊酸激酶表现为ATP的竞争性抑制剂。拟南芥MDS晶体结构显示其空腔不能结合GPP/FPP，而细菌MDS可结合，提示两者调控机制不同。植物HDS含约30 kDa的内部额外结构域，为氧敏感的[4Fe-4S]蛋白，其活性依赖光合电子传递和硫氧还蛋白。豌豆微粒体HMGR受HMG和游离CoA抑制但不受甲羟戊酸影响
- 萝卜HMGR受NADPH和NADP+调节。
研究结论
翻译后调控是植物类异戊二烯生物合成中关键酶活性快速响应环境变化和代谢波动的核心机制，HMG-CoA还原酶尤其受到多水平调控。代谢工程改造植物类异戊二烯产量时，必须综合考虑这些翻译后事件而不仅限于转录调控。