Connecting moss lipid droplets to patchouli biosynthesis
- 作者
- Anantha Peramuna, Hansol Bae, Carmen Quiñonero López, Arvid Fromberg, Bent Petersen, Henrik Toft Simonsen
- 单位
- Department of Biotechnology and Biomedicine, Technical University of Denmark; Misspiration Biotech; National Food Institute, Technical University of Denmark; The GLOBE Institute, University of Copenhagen; Centre of Excellence for Omics-Driven Computational Biodiscovery, AIMST University
- 杂志
- PLoS ONE（2020）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0243620
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
异源宿主（如苔藓）缺乏储存大量非天然挥发性萜烯（如广藿香醇）的细胞区室，导致产物挥发损失、细胞生长受抑和提取成本高。
研究策略
将广藿香醇合成酶（PTS）通过基因融合锚定到三种脂滴相关蛋白（PpOLE1、PpSeipin325、AtLDAP1）上，使萜烯在脂滴（LD）附近合成并储存在脂滴中，同时利用脂滴天然浮力降低下游纯化成本。
核心内容
本研究以苔藓小立碗藓为底盘，通过将广藿香醇合成酶与三种脂滴锚定蛋白融合表达，探索利用脂滴区室化储存非天然萜烯的策略。研究者分别构建了PpOLE1-PTS、PpSeipin325-PTS和AtLDAP1-PTS融合株系，结果显示PTS表达本身即能诱导脂滴数量和体积增加，其中PpSeipin325-PTS使脂滴体积较野生型增大188%。广藿香醇产量方面，游离PTS株系总产32.89 μg/g干重，但胞内保留率仅31%；融合株系中PpOle1-PTS实现了最高43%的胞内保留率，AtLDAP1-PTS保留率为41%且总产量达12.54 μg/g。值得关注的是，AtLDAP1-PTS融合表达还完全缓解了游离PTS引起的生长抑制，株高较野生型提高2倍。转录组分析显示，所有株系中GDSL酯酶/脂肪酶和非特异性脂质转移蛋白基因均显著上调逾256倍，提示脂滴发生与萜烯合成之间存在未知的偶联机制。该策略初步证明利用脂滴作为天然储油区室可有效提高异源萜烯的胞内滞留并降低提取成本，为建立通用型萜烯区室化生产平台提供了新思路。
创新点
['首次在苔藓 Physcomitrium patens 中将 PTS 定向到细胞质脂滴（LDs）中，利用三种不同结构/结合方式的脂滴蛋白作为锚定蛋白进行比较。', '发现异源 PTS 表达本身即能增加脂滴数量和大小，暗示萜烯生物合成与脂滴发生之间存在未知偶联机制。', 'PpSeipin325-PTS 融合表达使脂滴体积比 WT 增大 188%，且提高细胞内广藿香醇保留率。']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Physcomitrium patens (syn. Physcomitrella patens) | 倍半萜生物合成（细胞质 FPP 下游） | PTS | 广藿香醇合酶 (AAS86323) | 催化 | 催化法尼基焦磷酸 (FPP) 生成广藿香醇，来自 Pogostemon cablin |
| Physcomitrium patens | 脂滴生物发生 | PpOLE1 | Oleosin (PpOLE1) | 区室化 | 脂滴结构蛋白，通过疏水发夹结构锚定在脂滴膜上；试验了柔性 GS 连接和 LP4/2A 剪切连接两种融合方式 |
| Physcomitrium patens | 脂滴生物发生 | PpSeipin325 | Seipin (PpSeipin325) | 区室化 | 定位在内质网，参与脂滴扩张；PpSeipin325-PTS 使脂滴体积增大 188% |
| Physcomitrium patens | 脂滴生物发生 | AtLDAP1 | 脂滴相关蛋白 1 (At1g67360) | 区室化 | 来自拟南芥，无跨膜结构域，覆盖脂滴表面；AtLDAP1-PTS 总产量最高且株高增加2倍 |
关键发现
- PTS-only 株系总产广藿香醇
- 89 μg/g DW，细胞内
- 07±0.42 μg/g、胞外
- 82±1.18 μg/g，细胞内保留率31%；PpOle1-PTS 保留率43%（1.86±0.30 μg/g 细胞内/4.3 μg/g 总产）；PpOle1-LP4/2A-PTS 保留率27%（4.67 μg/g 细胞内/17.3 μg/g）；PpSeipin325-PTS 保留率37%（1.81 μg/g 细胞内/4.95 μg/g）；AtLDAP1-PTS 保留率41%（5.14 μg/g 细胞内/12.54 μg/g）。WT 脂滴体积
- 12E-11 mm³，PTS-only 为
- 30E-11（1.70倍），PpSeipin325 OE 为
- 45E-11（2.71倍），PpSeipin325-PTS 为
- 01E-11（2.88倍）。PpSeipin325-PTS 的脂滴体积较 PpSeipin325-Venus 对照增大42%。生长方面，PTS-only 株系株高比 WT 低26%（0.24 vs
- 32 mm），AtLDAP1-PTS 株系株高比 WT 高2倍（0.65 mm）。转录组分析显示所有突变株中 GDSL 酯酶/脂肪酶（At4g16230-like）和非特异性脂质转移蛋白3-like 基因上调超过256倍。
研究结论
将 PTS 与脂滴相关蛋白融合表达（尤其是 AtLDAP1-PTS 和 PpSeipin325-PTS）可显著提高广藿香醇在胞内脂滴中的保留率（最高43% vs 31%），同时缓解了游离 PTS 表达引起的生长抑制（AtLDAP1-PTS 使株高增加2倍）。脂滴区室化策略有望成为低成本储存和提取异源萜烯的通用平台，但需进一步优化融合蛋白表达量和酶活。