From Molecular Fossils of Bacterial Hopanoids to the Formation of Isoprene Units: Discovery and Elucidation of the Methylerythritol Phosphate Pathway
- 作者
- Michel Rohmer
- 杂志
- Lipids（2008）
- DOI
- 10.1007/s11745-008-3261-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在细菌藿烷类化合物生物合成研究中，发现并阐明了不依赖甲羟戊酸的甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径，该途径负责形成异戊二烯单元。
研究策略
利用13C标记实验追踪碳原子流向，结合基因组挖掘、基因缺失互补和重组酶表征，逐步揭示MEP途径的中间体和酶。
核心内容
该研究通过13C标记实验、基因组挖掘及重组酶表征等手段，系统阐明了细菌中不依赖甲羟戊酸的甲基赤藓醇磷酸（MEP）途径。在运动发酵单胞菌中，利用13C标记葡萄糖追踪碳原子流向，揭示了IPP碳骨架的重排规律，证实MEP为关键中间体，并发现该菌藿烷类含量高达30 mg/g干重，与其耐13%乙醇的特性相关。研究进一步鉴定出GcpE和LytB均为[4Fe-4S]铁硫蛋白，纯化的LytB在体外催化HMBPP生成IPP和DMAPP，比例约为1:5；而在大肠杆菌中过表达gcpE和lytB则使IPP与DMAPP以约5:1的比例积累。在银杏胚中，约98%的香叶基香叶基二磷酸来自MEP途径。此外，烟草BY-2细胞实验表明MEP与MVA途径可相互补偿，揭示了植物细胞质与质体异戊二烯生物合成的区室化及交叉对话。该途径所有基因和酶现已完全阐明，由于人类缺乏此途径，其酶成为抗菌和抗疟药物（如fosmidomycin靶向DXP还原异构酶）的理想靶点。
创新点
首次发现并完整阐明了MEP生物合成途径；确定MEP为关键中间体；揭示了异戊二烯单元形成的替代机制；鉴定出GcpE和LytB为[4Fe-4S]铁硫蛋白；阐明植物中细胞质和质体异戊二烯生物合成的区室化及交叉对话。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP pathway | dxs | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | 催化丙酮酸和甘油醛-3-磷酸生成DXP，为MEP途径第一步 |
| Escherichia coli | MEP pathway | dxr (ispC) | DXP reductoisomerase | 催化 | 催化DXP重排还原生成MEP，是fosmidomycin的靶点 |
| Escherichia coli | MEP pathway | ygbP (ispD) | MEP cytidylyltransferase | 催化 | 催化MEP与CTP生成4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol |
| Escherichia coli | MEP pathway | ychB (ispE) | CDP-ME kinase | 催化 | 磷酸化4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol |
| Escherichia coli | MEP pathway | ygbB (ispF) | MEcPP synthase | 催化 | 生成2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate |
| Escherichia coli | MEP pathway | gcpE (ispG) | HMBPP synthase | 催化 | [4Fe-4S]蛋白，催化MEcPP转化为HMBPP |
| Escherichia coli | MEP pathway | lytB (ispH) | HMBPP reductase | 催化 | [4Fe-4S]蛋白，催化HMBPP转化为IPP和DMAPP |
| Arabidopsis thaliana | MEP pathway | gcpE (ispG) | GcpE/IspG | 催化 | 位于质体，利用铁氧还蛋白作为还原伴侣，在光照下可直接从光系统获得电子 |
| Ginkgo biloba | MEP pathway | — | — | 催化 | 在银杏胚中发现MEP途径与二萜生物合成，约98%的GGPP来自MEP途径 |
| Zymomonas mobilis | MEP pathway | — | — | 催化 | 通过13C标记葡萄糖揭示MEP途径的碳骨架重排，该菌株藿烷含量高达30 mg/g干重 |
关键发现
- ['在Zymomonas mobilis中，通过13C标记葡萄糖揭示IPP的C-3和C-5分别来自葡萄糖的C-2/C-5和C-3/C-6，C-1、C-2、C-4分别来自C-6、C-5、C-4，表明MEP途径的碳骨架重排。', 'Zymomonas mobilis中藿烷类含量高达30 mg/g干重，与耐13%乙醇相关。', '在E. coli中过表达gcpE和lytB导致IPP和DMAPP以约5:1的比例积累
- 纯化的LytB酶在体外催化HMBPP生成IPP和DMAPP的比例约为1:5。', '在银杏胚中，约98%的香叶基香叶基二磷酸（GGPP）来自MEP途径。', 'GcpE和LytB均为[4Fe-4S]蛋白，LytB催化HMBPP生成IPP和DMAPP，在植物中依赖于铁氧还蛋白还原系统。', '在烟草BY-2细胞中，MEP和MVA途径可相互补偿：MVA途径被抑制时，胞质植物甾醇可通过MEP途径从外源DX合成
- MEP途径被抑制时，质体质体醌的异戊二烯链可由MVA途径提供。', 'Fosmidomycin是DXP还原异构酶的抑制剂，可有效抑制细菌生长和疟原虫感染。']
研究结论
MEP途径已完全阐明，所有基因和酶均已知。该途径存在于大多数细菌和光合生物的质体中，是异戊二烯生物合成的重要途径。由于人类没有此途径，MEP途径酶是抗菌和抗疟药物的理想靶点。