Coordinated transcriptional regulation of isopentenyl diphosphate biosynthetic pathway enzymes in plastids by phytochrome-interacting factor 5
- 作者
- Kazuto Mannen, Takuro Matsumoto, Seiji Takahashi, Yuta Yamaguchi, Masanori Tsukagoshi, Ryosuke Sano, Hideyuki Suzuki, Nozomu Sakurai, Daisuke Shibata, Tanetoshi Koyama, Toru Nakayama
- 单位
- Graduate School of Engineering, Tohoku University; Kazusa DNA Research Institute; Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Material, Tohoku University
- 杂志
- Biochemical and Biophysical Research Communications（2014）
- DOI
- 10.1016/j.bbrc.2013.12.040
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物质体中异戊烯基焦磷酸（IPP）生物合成途径（MEP途径）的转录调控机制尚不清楚，且单个MEP途径酶过表达对质体异戊二烯积累效果有限，需要寻找能够协同调控多个MEP途径酶表达的转录因子。
研究策略
利用ATTED-II数据库对拟南芥异戊二烯生物合成相关基因进行共表达分析，筛选与多个质体MEP途径基因高度相关的转录因子；通过构建转录因子过表达的T87悬浮细胞系，检测MEP途径基因转录水平和叶绿素/类胡萝卜素积累量，验证候选转录因子的功能。
核心内容
本研究利用ATTED-II数据库对拟南芥异戊二烯生物合成相关基因进行共表达分析，筛选出与多个质体MEP途径基因高度相关的转录因子PIF5，并在T87悬浮细胞系中过表达验证其功能。结果显示，PIF5过表达使DXR、MCT、HDS、HDR等MEP途径基因转录水平显著升高，PIF5转录水平增加约11至17倍，总叶绿素含量最高增加2.8倍，总类胡萝卜素含量最高增加2.2倍，HPLC检测到多种类胡萝卜素含量同步增加。截短形式的PIF5ΔC也能促进MEP基因转录和色素积累但效果较弱，而PIF3过表达反而使叶绿素和类胡萝卜素分别降至对照的0.38倍和0.57倍且不影响MEP基因表达。结果表明，PIF5是质体异戊二烯代谢的正调控因子，可通过增强MEP途径IPP代谢流协同促进色素积累，而PIF3起负调控作用，揭示IPP代谢受到多个PIF家族转录因子冗余或拮抗的精细调控，共表达分析为发掘全面调控IPP代谢的关键转录因子提供了有效策略。
创新点
首次报道通过过表达转录因子PIF5使质体异戊二烯积累增加并伴随MEP途径基因上调；发现PIF5可作为IPP代谢的正调控因子；通过PIF5ΔC和PIF1/PIF3/PIF4等家族成员的比较分析，揭示了PIF家族在IPP代谢中的不同角色。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | PIF5 | phytochrome-interacting factor 5 | 调控 | 过表达PIF5上调DXR、MCT、HDS、HDR等MEP途径基因转录 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | DXR | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | MEP途径限速酶之一，PIF5过表达后转录水平显著升高 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | MCT | 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidyltransferase | 催化 | PIF5过表达后转录水平显著升高 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | HDS | 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-phosphate synthase | 催化 | PIF5过表达后转录水平显著升高 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | HDR | 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-phosphate reductase | 催化 | PIF5过表达后转录水平显著升高 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | 类胡萝卜素生物合成途径 | GGR | geranylgeranyl reductase | 催化 | PIF5过表达后转录水平显著下降，可能为反馈调控 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | 类胡萝卜素生物合成途径 | PDS | phytoene desaturase | 催化 | PIF5过表达后转录水平显著下降 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY | phytoene synthase | 催化 | 与PIF5共表达相关系数0.631 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | PIF3 | phytochrome-interacting factor 3 | 调控 | 过表达PIF3负调控叶绿素和类胡萝卜素积累，不影响MEP途径基因 |
| 拟南芥T87悬浮培养细胞 | MEP途径 | PIF5ΔC | 截短的PIF5蛋白 | 调控 | C端缺失144个氨基酸，保留APB基序，过表达后仍能增强MEP代谢但效应低于PIF5 |
关键发现
- PIF5过表达使MEP途径基因DXR、MCT、HDS、HDR转录水平显著升高，PIF5转录水平增加约11-17倍
- 总叶绿素含量最高增加2.8倍，总类胡萝卜素含量最高增加2.2倍
- HPLC分析显示多种类胡萝卜素（包括α-胡萝卜素和β-胡萝卜素分支途径产物）含量增加。PIF5ΔC过表达也促进MEP基因转录和色素积累，但程度低于PIF5
- PIF3过表达使叶绿素和类胡萝卜素分别降至对照的0.38倍和0.57倍，且不影响MEP途径基因。
研究结论
PIF5是质体异戊二烯生物合成的正调控因子，通过增强MEP途径IPP代谢流促进叶绿素和类胡萝卜素积累；PIF3则负调控质体异戊二烯代谢。IPP代谢受多个转录因子冗余或拮抗作用的严格调控，共表达分析是发现全面调控IPP代谢转录因子的有效工具。