Isoprenoid biosynthesis in eukaryotic phototrophs: A spotlight on algae
- 作者
- Martin Lohr, Jörg Schwender, Jürgen E.W. Polle
- 单位
- Institut für Allgemeine Botanik, Johannes Gutenberg-Universität, 55099 Mainz, Germany; Biology Department, Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973, USA; Department of Biology, Brooklyn College of CUNY, 2900 Bedford Ave, Brooklyn, NY 11210, USA
- 杂志
- Plant Science（2011）
- DOI
- 10.1016/j.plantsci.2011.07.018
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
藻类作为真核光合生物，其异戊二烯（类萜）代谢网络的研究远落后于陆生植物，尤其在 MVA 与 MEP 途径的分布、进化、调控以及前体分配的分子机制方面存在大量空白。
研究策略
通过比较陆生植物（链形植物）与主要藻门的核心异戊二烯代谢的生化和遗传数据，结合内共生进化历史分析 MVA/MEP 途径的分布与丢失事件，并基于基因组数据对异戊烯转移酶进行系统发育分析，提出支持核心异戊二烯代谢所需的最小酶目录。
核心内容
该综述系统比较了陆生植物与主要藻门在类异戊二烯合成途径上的进化与分布差异，并整合内共生历史、基因组与生化数据对异戊烯转移酶进行了系统发育分析。研究发现绿藻已丢失甲羟戊酸（MVA）途径，完全依赖质体中的甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径为全细胞提供前体；红藻Cyanidioschyzon merolae仅残留HMGS基因而独立丢失MVA途径，近缘种Galdieria sulphuraria则同时保留两条途径。作者还提出了支持核心异戊二烯代谢的最小异戊烯转移酶目录，即一个cis型与六个trans型酶。关键数据上，拟南芥编码10个推定长链cis-异戊烯转移酶和12个推定GGPPS基因，且其“GPPS”实际产物链长为C25–C45；离体叶绿体释放前体速率以IPP和GPP最高，GGPP则不运输。此外，不同硅藻的HBI产物分别依赖MVA或MEP途径，Haematococcus pluvialis的两个IDI拷贝在胁迫下差异表达以支持虾青素合成。这些结果明确了所有含质体生物均依赖MEP途径、次级质体藻类保留MVA途径的规律，并为通过遗传工程改造藻类类异戊二烯代谢提供了酶学基础，但前体跨膜转运和调控机制仍有待阐明。
创新点
首次系统梳理了藻类中 MVA 和 MEP 途径的进化与分布模式；提出并初步验证了核心异戊二烯代谢所需的最小异戊烯转移酶目录（一个 cis-型与六个 trans-型）；对具有初级和次级质体的藻类进行了异戊烯转移酶的系统发育分析。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP 途径 | DXS, DXR, HDR, IDI | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶, 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶, 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶, 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | MEP 途径各酶均为单拷贝基因，转录水平受调控；与类胡萝卜素合成基因协同表达。 |
| Haematococcus pluvialis | MEP 途径 / 类胡萝卜素合成 | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 存在胞质和质体两个 IDI 拷贝，胁迫下第二个拷贝上调以支持大量合成次级类胡萝卜素（如虾青素）。 |
| Dunaliella salina | MEP 途径 / 类胡萝卜素合成 | HDR | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶 | 催化 | HDR 在多种胁迫条件下转录上调。 |
| Arabidopsis thaliana | MVA 途径 / MEP 途径 / 类异戊二烯合成 | HMGR, DXS, DXR, HDR, FPPS, GGPPS, GPPS/PPPS, SPPS, DeDolPS | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶, 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶, 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶, 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸还原酶, 法尼基二磷酸合酶, 香叶基香叶基二磷酸合酶, 香叶基二磷酸合酶/多聚异戊烯基二磷酸合酶, 茄呢基二磷酸合酶, 脱氢多萜醇二磷酸合酶 | 催化 | MVA 途径在胞质，MEP 途径在质体；HMGR 是 MVA 途径主要限速酶，MEP 途径限速酶包括 DXS、DXR、HDR；基因组含 12 个 GGPPS 基因，10 个 cis-异戊烯转移酶基因。 |
| Cyanidioschyzon merolae | MEP 途径 | HMGS（残余） | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶（预测定位线粒体） | 催化 | 仅含 HMGS 基因，MVA 途径其余基因缺失，表明 MVA 途径在红藻中独立丢失；该藻依赖 MEP 途径供应全部异戊二烯。 |
| Galdieria sulphuraria | MVA 途径 / MEP 途径 | MVA 途径全部基因 | MVA 途径酶（如 HMGR 等） | 催化 | 基因组含有 MVA 途径同源基因，生化证据表明 MVA 与 MEP 途径均运作。 |
| Phaeodactylum tricornutum | MVA 途径 / MEP 途径 | FPPS, GGPPS（type II 和 type III）, GPPS/PPPS 旁系同源物 | 法尼基二磷酸合酶, 香叶基香叶基二磷酸合酶, 香叶基二磷酸合酶/多聚异戊烯基二磷酸合酶 | 催化 | 硅藻同时具有 MVA 与 MEP 途径；异鞭毛藻缺少 SPPS 直系同源物，可能由 GPPS/PPPS 旁系同源物承担。 |
| Euglena gracilis | MVA 途径 / MEP 途径 | MVA/MEP 途径相关 | MVA/MEP 途径酶 | 催化 | 标记实验表明甾醇由 MVA 途径合成，质体类胡萝卜素由两条途径共同提供前体，而植醇前体仅由 MVA 途径供应，提示前体从胞质大量向质体输入。 |
| Rhizosolenia setigera / Haslea ostrearia | MVA 途径 / MEP 途径 | MVA/MEP 途径相关 | MVA/MEP 途径酶 | 催化 | 中心硅藻 Rhizosolenia setigera 的 HBI 由 MVA 途径合成，羽纹硅藻 Haslea ostrearia 的 HBI 主要由 MEP 途径合成，显示物种特异性差异。 |
| 未鉴定（推测存在于绿藻叶绿体被膜） | 异戊二烯前体转运 | 未知 | IPT/磷酸盐反向转运体（推测） | 转运 | 推测存在类似磷酸丙糖/磷酸盐反向转运体的 IPP/磷酸盐反向转运体，以维持磷酸盐平衡，但尚未鉴定具体基因。 |
关键发现
- 绿藻（Chlorophyta）失去 MVA 途径，仅依赖质体 MEP 途径供应所有细胞区室的异戊二烯前体。
- 红藻 Cyanidioschyzon merolae 基因组中仅含 HMGS 基因而缺乏 MVA 途径其余基因，证明红藻中 MVA 途径独立丢失；但近缘种 Galdieria sulphuraria 同时具有 MVA 和 MEP 途径。
- 拟南芥基因组编码 10 个推定长链 cis-异戊烯转移酶、12 个推定 GGPPS 基因；A. thaliana 的“GPPS”实际具有多聚异戊烯基二磷酸合酶（PPPS）活性，产物链长 C25–C45。
- 从离体叶绿体释放异戊二烯前体的速率排序为：IPP 和 GPP 最高，FPP 和 DMAPP 低，GGPP 不运输。
- 烟草 BY-2 细胞中，胞质蛋白异戊烯化所需的香叶基香叶基由非光合质体的 MEP 途径提供。
- Haematococcus pluvialis 具有胞质和质体两个 IDI 基因拷贝，在胁迫条件下差异表达以支持次级类胡萝卜素大量合成。
- 硅藻 Rhizosolenia setigera 的高度分支异戊二烯（HBI）由 MVA 途径合成，而 Haslea ostrearia 的 HBI 主要由 MEP 途径合成。
- 系统发育分析显示，绿藻和红藻含有 SPPS 和拟南芥同型二聚体 GPPS/PPPS 的直系同源物，而异鞭毛藻缺乏 SPPS 直系同源物，但含有一个真菌/动物型 III GGPPS 基因，可能来自次级真核宿主。
研究结论
所有含质体的生物均依赖 MEP 途径，即使质体失去光合功能；所有被研究的具次级质体的光合藻类都保留 MVA 途径。提出了支持核心异戊二烯代谢的最小异戊烯转移酶目录，并指出通过遗传工程改造藻类异戊二烯代谢具有潜力，但需进一步阐明前体转运机制和调控网络。