Harvesting the biosynthetic machineries that cultivate a variety of indispensable plant natural products

作者: Christopher R Vickery, James J La Clair, Michael D Burkart, Joseph P Noel
单位: Department of Chemistry and Biochemistry, The University of California, San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92037, USA; Howard Hughes Medical Institute, The Salk Institute for Biological Studies, Jack H. Skirball Center for Chemical Biology and Proteomics, 10010 N. Torrey Pines Road, La Jolla, CA 92037, USA
杂志: Current Opinion in Chemical Biology（2016）
DOI: 10.1016/j.cbpa.2016.01.008
所属领域: 合成生物学
关键词: 代谢区室大麻素生物合成植物天然产物聚酮合酶芳香异戊烯基转移酶顺式异戊烯基转移酶
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解决的核心问题

解析植物天然产物生物合成途径中非经典酶和代谢区室化机制，以促进这些重要化合物的异源生产和应用。

研究策略

采用综述方法，结合基因组学、代谢组学、蛋白质组学以及生化重组，梳理了芳香异戊烯基转移酶、顺式异戊烯基转移酶、非经典酶（如橄榄醇酸环化酶）和代谢区室在植物天然产物合成中的作用。

研究路线图

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核心内容

该文系统综述了利用多组学与生化重组手段解析植物天然产物生物合成中非经典酶及代谢区室化机制的研究进展，旨在为重要化合物的异源生产提供蓝图。作者汇总了芳香异戊烯基转移酶、顺式异戊烯基转移酶及非经典酶（如橄榄醇酸环化酶）在多种植物中的功能，发现橄榄醇酸环化酶可作为T3PKS的辅助因子引导正确环化，柠檬CIPT对香叶基二磷酸具有底物特异性，生菜中无催化活性的CPTL2蛋白能招募CPT3至内质网实现区室化。关键结果包括：RNAi沉默Taraxacum的CPTs后天然橡胶产量显著下降而三萜含量升高；啤酒花中异源组装HICCL2、HICCL4、HIVPS、HIPT2和HIPT1L五个酶成功生产β-苦味酸。此外，6-与8-异戊烯基柚皮素在总异戊烯基黄酮中占比各为1–2%。这些发现表明整合多组学策略能快速揭示特殊代谢途径的酶学机制，为植物天然产物的可持续生物制造提供可行路径。

创新点

总结了多个新发现的酶与机制，包括：首次发现橄榄醇酸环化酶作为T3PKS的辅助因子引导正确环化；柠檬CIPT对香叶基二磷酸的特异性；生菜中无催化活性的CPTL2蛋白招募CPT3到内质网的区室化机制；以及啤酒花中异源组装五个酶合成β-苦味酸的成功案例。

研究对象（25）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Hypericum calycinum	占吨酮（xanthone）生物合成	—	膜结合芳香异戊烯基转移酶 (aPTase)	催化	催化1,2,6,7-四羟基占吨酮的二甲基烯丙基化，生成hyperxanthone E等产物。
Petroselinum crispum	香豆素/呋喃香豆素生物合成	PcPT	香豆素特异性异戊烯基转移酶	催化	将二甲基烯丙基加到伞形酮上，具有宽松的区域选择性，可生成6-或8-异戊烯基产物。
Citrus limon	香豆素生物合成	CIPT	香叶基二磷酸特异性芳香异戊烯基转移酶	催化	将C10香叶基转移至伞形酮C-8位，对香豆素类底物高度特异，不作用于呋喃香豆素、黄酮等。
Cannabis sativa	大麻素生物合成	CsPT1	芳香异戊烯基转移酶	催化	催化橄榄醇酸的香叶基化生成大麻萜酚酸，进而经THCA合酶生成Δ9-四氢大麻酚酸。
Solanum lycopersicum	lycosantalonol 生物合成	CPT2	顺式异戊烯基转移酶 (cis-prenyltransferase)	催化	催化合成线性Z-烯烃前体nerylneryl二磷酸（NNPP）。
Solanum lycopersicum	lycosantalonol 生物合成	TPS21	萜烯合酶	催化	催化NNPP离子化和环化，生成lycosantalene骨架。
Solanum lycopersicum	lycosantalonol 生物合成	CYP71D51	细胞色素P450单加氧酶	催化	氧化修饰环化产物，最终形成lycosantalonol。
Taraxacum kokaghyz	天然橡胶生物合成	TkCPT1	顺式异戊烯基转移酶	催化	转染至烟草叶肉原生质体后表现IPP转移酶活性，体外可产生橡胶样分子。
Taraxacum kokaghyz	天然橡胶生物合成	TkCPT2	顺式异戊烯基转移酶	催化	同TkCPT1，在原生质体中具有催化活性。
Taraxacum kokaghyz	天然橡胶生物合成	TkCPT3	顺式异戊烯基转移酶	催化	同TkCPT1，在原生质体中具有催化活性。
Taraxacum brevicorniculatum	天然橡胶生物合成	TbCPT1/TbCPT2/TbCPT3	顺式异戊烯基转移酶同源物	催化	RNAi敲低导致橡胶产量下降、三萜含量升高，证实其参与天然橡胶合成。
Lactuca sativa	天然橡胶生物合成	CPT3	顺式异戊烯基转移酶	催化	与CPTL2形成异源复合物，催化橡胶链延伸。
Lactuca sativa	天然橡胶生物合成	CPTL2	PTase类似蛋白（无催化活性）	区室化	通过膜结合和蛋白互作将CPT3招募到内质网；敲低CPTL2导致橡胶产量大幅下降。
Humulus lupulus	苦味酸生物合成	HICCL2	短链支链脂肪酸CoA连接酶	催化	特异生成异戊酰-CoA，进入苦味酸生物合成。
Humulus lupulus	苦味酸生物合成	HICCL4	短链支链脂肪酸CoA连接酶	催化	特异生成异丁酰-CoA，进入苦味酸生物合成。
Humulus lupulus	苦味酸生物合成	HIVPS	III型聚酮合酶 (T3PKS)	催化	利用异戊酰-CoA/异丁酰-CoA和丙二酰-CoA合成苦味酸前体酰基间苯三酚。
Humulus lupulus	苦味酸生物合成	HIPT2	芳香异戊烯基转移酶	催化	与HIPT1L形成复合物，对苦味酸前体进行连续2-3次异戊烯化。
Humulus lupulus	苦味酸生物合成	HIPT1L	PTase类似蛋白（无催化活性）	调控	与HIPT2相互作用，是苦味酸生产所必需的非催化亚基；该复合物完成连续异戊烯化，三次异戊烯化生成β-苦味酸。
Cannabis sativa	大麻素生物合成	hexanoyl-CoA ligase	己酰辅酶A连接酶	催化	以Mg2+依赖方式催化己酸、CoA和ATP生成己酰-CoA。
Cannabis sativa	大麻素生物合成	TKS	四酮合酶 (tetraketide synthase, T3PKS)	催化	利用己酰-CoA和3分子丙二酰-CoA生成橄榄醇酸；单独存在时主要形成2-吡喃酮（α-吡喃酮）和橄榄醇。
Cannabis sativa	大麻素生物合成	OAC	橄榄醇酸环化酶	催化	作为TKS的辅助因子，引导线性四酮中间体正确环化生成橄榄醇酸；无OAC时TKS产生大量2-吡喃酮。
Manihot esculenta	生氰苷（linamarin/lotaustralin）生物合成	UGT85K4	UDP-葡萄糖基转移酶	催化	催化linamarin生物合成最后一步，体内定位于初生叶的叶肉和木质部薄壁细胞。
Manihot esculenta	生氰苷生物合成	UGT85K5	UDP-葡萄糖基转移酶	催化	催化lotaustralin生物合成最后一步。
Manihot esculenta	生氰苷生物合成	CYP79D1	细胞色素P450	催化	与CYP71E7等共同催化linamarin/lotaustralin生物合成的初始步骤。
Manihot esculenta	生氰苷生物合成	CYP71E7	细胞色素P450	催化	CYP71E7有两个旁系同源物，参与初始步骤。

关键发现

在啤酒花中，6-异戊烯基柚皮素和8-异戊烯基柚皮素的产量大致相等，二者各占总异戊烯基黄酮的1-2%
RNAi沉默Taraxacum brevicorniculatum的CPTs后，天然橡胶产量显著下降（橡胶颗粒减少），同时三萜含量大幅升高
在烟草叶肉原生质体中，TkCPT1、TkCPT2和TkCPT3均表现出明显的异戊烯基焦磷酸（IPP）转移酶活性
生菜中敲低CPTL2导致天然橡胶产量大幅下降
啤酒花脂肪酰辅酶A连接酶HICCL2和HICCL4分别特异生成异戊酰-CoA和异丁酰-CoA，与T3PKS等共表达可在酵母中产生酰基间苯三酚类物质
在异源宿主中组装HICCL2、HICCL4、HIVPS、HIPT2和HIPT1L五个酶成功生产β-苦味酸。

研究结论

多组学与生物化学的整合应用能快速揭示植物特殊代谢途径的酶学机制和空间组织原则，为植物天然产物的异源表达和可持续生物生产提供了蓝图，并有望推动农业、医药和营养等领域的发展。