Metabolism formation and metabolic channeling in the biosynthesis of plant natural products
- 作者
- Kirsten Jørgensen, Anne Vinther Rasmussen, Marc Morant, Allan Holm Nielsen, Nanna Bjarnholt, Mika Zagrobelny, Søren Bak, Birger Lindberg Møller
- 单位
- Plant Biochemistry Laboratory, Department of Plant Biology, Royal Veterinary and Agricultural University, 40 Thorvaldsensvej, DK-1871 Frederiksberg C, Copenhagen, Denmark
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2005）
- DOI
- 10.1016/j.pbi.2005.03.014
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物次生代谢中代谢物形成（metabolon formation）与代谢通道（metabolic channeling）的机制，以及这些机制如何使植物高效合成天然产物并避免代谢干扰。
研究策略
综述近年来的实验证据，整合分子、细胞、遗传学等方法（如免疫共定位、酵母双杂交、荧光标记、代谢工程等），分析不同次生代谢途径中代谢通道和代谢物形成的证据。
核心内容
该文系统综述了植物次生代谢中代谢物形成与代谢通道的机制及其在天然产物高效合成和代谢干扰避免中的核心作用。作者整合分子、细胞和遗传学证据，分析了异戊二烯、生物碱、苯丙烷、黄酮和氰苷等多条途径中的代谢通道现象，指出酶与酶或酶与细胞结构间的物理组装可引导中间代谢物流向特定产物。关键证据包括拟南芥基因组编码112个UDP-糖基转移酶；多胺合成中SPDS1-SPDS2和SPDS2-SPMS形成约700 kDa的异源二聚体复合物；栽培草莓中NES1因缺乏N端转运肽而定位在细胞质，导致芳樟醇和橙花叔醇积累，而PINS基因移码突变则使α-蒎烯和β-月桂烯缺失。尤为重要的是，将高粱dhurrin全合成途径（CYP79A1、CYP71E1、UGT85B1）转入拟南芥后几乎不引起代谢组和转录组显著变化，而仅转入两个P450基因则导致植株矮化、异常糖苷积累及芥子酰葡萄糖和芥子酰苹果酸缺失，说明完整代谢通道可保障通量并减少干扰。该综述提出，理解和利用代谢通道机制，可为在保持作物实质等同性的前提下进行代谢工程改良提供策略。
创新点
系统总结了代谢通道在异戊二烯、生物碱、苯丙烷、黄酮和氰苷等途径中的重要作用，并提出了通过理解和利用代谢通道与代谢物形成来进行植物代谢工程改造，以实现‘实质等同性’的作物改良策略。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 甲羟戊酸途径（异戊二烯合成） | HMGR（多亚型） | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | HMGR定位于ER膜及囊泡，不同亚型可能将中间体通道至特定异戊二烯类家族。 |
| 栽培草莓（Fragaria ananassa） | 萜类合成 | NES1 | 橙花叔醇合酶/芳樟醇合酶 | 催化 | NES1因缺乏N端转运肽而定位在细胞质，催化底物生成芳樟醇和橙花叔醇。 |
| 栽培草莓（Fragaria ananassa） | 萜类合成 | PINS | 蒎烯合酶 | 催化 | PINS基因发生移码突变导致α-蒎烯和β-月桂烯及其下游产物缺失。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 多胺生物合成 | SPDS1, SPDS2, SPMS | 亚精胺合酶、精胺合酶 | 催化 | SPDS1-SPDS2和SPDS2-SPMS形成异源二聚体，复合物分子量约为700 kDa。 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 苯丙烷代谢 | PAL1, PAL2, C4H | 苯丙氨酸解氨酶、肉桂酸4-羟化酶 | 催化 | PAL1和PAL2与C4H共定位，C4H可能作为核化位点结合PAL亚型。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 黄酮生物合成 | CHS, CHI | 查尔酮合酶、查尔酮异构酶 | 催化 | 通过酵母双杂交、亲和层析、免疫共沉淀等技术证实酶相互作用。 |
| 豆科植物（如苜蓿、甘草） | 异黄酮生物合成 | IFS, HI4'OMT, HID | 2-羟基异黄烷酮合成酶、2,7,4'-三羟基异黄酮4'-O-甲基转移酶、2-羟基异黄烷酮脱水酶 | 催化 | 参与异黄酮骨架形成及修饰，其中HI4'OMT的代谢物关联尚待研究。 |
| 高粱（Sorghum bicolor） | 氰苷dhurrin生物合成 | CYP79A1, CYP71E1, UGT85B1 | 细胞色素P450（CYP79A1、CYP71E1）和UDP-糖基转移酶UGT85B1 | 催化 | 三种酶在ER上形成代谢物，快速转化有毒的p-羟基扁桃腈中间体，避免其分解为氢氰酸。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 吲哚硫代葡萄糖苷生物合成 | CYP79B2, CYP79B3, CYP83A1, CYP83B1, UGT74B1 | 细胞色素P450和UDP-糖基转移酶 | 催化 | 催化色氨酸衍生物肟转化为硫代氢肟酸，再转化为脱硫硫代葡萄糖苷。 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 色氨酸代谢调控 | ATR1 | MYB转录因子ATR1 | 调控 | ATR1调控色氨酸合成基因及CYP79B2/CYP79B3和CYP83B1的表达，控制吲哚硫代葡萄糖苷稳态。 |
关键发现
- 拟南芥基因组编码112个UDP-糖基转移酶
- 多胺合成中的SPDS1-SPDS2和SPDS2-SPMS异源二聚体复合物分子量约为700 kDa
- 栽培草莓中NES1因缺乏N端转运肽而定位在细胞质，导致芳樟醇和橙花叔醇的积累，而PINS基因的移码突变导致α-蒎烯和β-月桂烯等缺失
- 将高粱dhurrin全合成途径（CYP79A1、CYP71E1、UGT85B1）转入拟南芥后几乎不引起代谢组和转录组的显著变化，而仅转入CYP79A1和CYP71E1则导致植株矮化、多个新糖苷积累以及拟南芥特有UV保护物质芥子酰葡萄糖和芥子酰苹果酸缺失。
研究结论
代谢物形成和代谢通道是植物高效合成特定天然产物并避免代谢干扰的关键机制。理解这些机制可促进通过基因工程优化植物次生代谢，在保持‘实质等同性’的前提下改善作物品质和抗逆性。