Metabolic engineering of coenzyme Q by modification of isoprenoid side chain in plant
- 作者
- Sakiko Takahashi, Yuki Ogiyama, Hiroaki Kusano, Hiroaki Shimada, Makoto Kawamukai, Koh-ichi Kadowaki
- 单位
- Department of Genetic Diversity, National Institute of Agrobiological Sciences, 2-1-2 Kamiondai, Tsukuba, Ibaraki 305-8602, Japan; Faculty of Life and Environmental Science, Shimane University, 1060 Nishikawatsu, Matsue, Shimane 690-8504, Japan; Department of Biological Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, Japan; Plant Biotechnology Division, Tissue Engineering Research Center, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278.8510, Japan
- 杂志
- FEBS Letters（2006）
- DOI
- 10.1016/j.febslet.2006.01.023
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
水稻内源合成辅酶Q9（CoQ9），而具有更高商业价值的辅酶Q10（CoQ10）无法在水稻中合成。如何通过代谢工程改造异戊二烯侧链长度，使水稻主要生产CoQ10。
研究策略
通过农杆菌介导将来自Gluconobacter suboxydans的ddsA基因导入水稻，并融合不同亚细胞定位信号（线粒体S14或高尔基体CTS），检测CoQ侧链组成和含量。
核心内容
本研究针对水稻内源合成辅酶Q9而无法合成高商业价值辅酶Q10的问题，利用农杆菌介导将来自Gluconobacter suboxydans的ddsA基因导入水稻，并分别融合线粒体靶向信号S14和高尔基体靶向信号CTS，以定向改造异戊二烯侧链长度。结果显示，S14:ddsA转基因水稻叶片中辅酶Q10含量达40–70 μg/g鲜重，为非转基因对照的11–18倍；种子中辅酶Q10约18 μg/g鲜重，比非转基因种子总辅酶Q含量高2–3倍。非转基因种子中辅酶Q9仅为3.8 μg/g鲜重，抛光米中仅0.3 μg/g鲜重，92%的辅酶Q分布于米糠。相比之下，CTS:ddsA植株仍主要合成辅酶Q9，且高表达CTS:DdsA导致生长迟缓。研究表明，将DdsA靶向线粒体可近乎完全替换水稻辅酶Q侧链为10个异戊二烯单位，并提高总辅酶Q含量，证明在非天然亚细胞位点表达外源酶能有效改变代谢产物组成，为作物辅酶Q品质改良提供了可行策略。
创新点
首次在水稻中实现CoQ9到CoQ10的近乎完全替换；通过线粒体靶向表达DdsA显著提高种子总CoQ含量；证明外源酶在非天然亚细胞位点表达的有效性。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 水稻（Oryza sativa L. cv. Nipponbare） | 辅酶Q生物合成（异戊二烯侧链合成） | ddsA | DdsA（decaprenyl diphosphate synthase） | 催化 | 来自Gluconobacter suboxydans，催化合成十异戊二烯基二磷酸（C10侧链） |
| 水稻（Oryza sativa L. cv. Nipponbare） | 细胞器靶向 | rps14（线粒体靶向信号S14） | RPS14信号肽 | 区室化 | 将DdsA导向线粒体 |
| 水稻（Oryza sativa L. cv. Nipponbare） | 细胞器靶向 | GnT1（烟草N-乙酰氨基葡萄糖转移酶I） | CTS（Golgi靶向信号） | 区室化 | 将DdsA导向高尔基体 |
关键发现
- S14:ddsA转基因水稻叶片中CoQ10含量为40-70 μg/gFW，是非转基因对照的11-18倍
- 种子中CoQ10含量约18 μg/gFW，比非转基因种子总CoQ含量（CoQ9+CoQ10）高2-3倍
- 非转基因种子中CoQ9含量为3.8 μg/gFW，抛光米中仅0.3 μg/gFW，92%的CoQ分布于米糠
- CTS:ddsA植株仍主要产生CoQ9，且高表达CTS:DdsA导致生长迟缓
- S14:DdsA和CTS:DdsA蛋白大小分别为41 kDa和45 kDa。
研究结论
通过将DdsA靶向线粒体，成功将水稻的CoQ侧链从9个异戊二烯单位改为10个，产生CoQ10，并提高了总CoQ含量。这表明在非天然位点表达外源酶可以有效改变代谢产物组成。