Enhancing terpenoid indole alkaloid production by inducible expression of mammalian Bax in Catharanthus roseus cells
- 作者
- XU MaoJun, DONG JuFang
- 单位
- 浙江工商大学生物工程系，杭州310035，中国
- DOI
- 10.1007/s11427-007-0030-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
长春花细胞培养生产萜类吲哚生物碱的产量低，需要探索新的代谢工程策略，通过激活整条生物合成途径而非改造单个结构基因来提高次生代谢产物产量。
研究策略
利用β-雌二醇诱导启动子在转基因长春花细胞中表达哺乳动物促凋亡蛋白Bax，触发植物防御反应，进而激活萜类吲哚生物碱生物合成途径中的关键基因（Tdc和Str）的转录，提高目标产物积累。
核心内容
该研究提出一种通过整体激活生物合成途径而非改造单个结构基因的策略，用于提高长春花细胞中萜类吲哚生物碱（TIA）的产量。作者构建了受β-雌二醇诱导启动子调控的转基因长春花细胞系，诱导表达哺乳动物促凋亡蛋白Bax，以触发植物防御反应进而上调TIA途径关键基因Tdc和Str的转录。结果显示，用30 μmol/L β-雌二醇处理后，catharanthine含量达对照的5.0倍，总TIA含量达5.5倍；在培养第20天加入同样浓度诱导剂，产量分别约为对照的5倍和5.5倍。Bax表达严格依赖诱导剂浓度，并能显著增强Tdc和Str转录，同时诱导PR1蛋白积累，但抑制细胞生长的程度与诱导时间和浓度相关。该工作首次将哺乳动物Bax用作植物次生代谢工程的调控因子，证明通过激活整条防御相关生物合成通路可有效提升目标代谢物积累，为植物细胞代谢工程提供了基于全细胞调控的新思路。
创新点
首次将哺乳动物Bax蛋白作为潜在调控因子用于植物次生代谢工程；提出通过激活整条生物合成途径而不是单一结构基因工程来增强代谢通量的新策略。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus cells | terpenoid indole alkaloid biosynthetic pathway | Tdc | tryptophan decarboxylase (Trp decarboxylase) | 催化 | 关键酶，转录被Bax上调 |
| Catharanthus roseus cells | terpenoid indole alkaloid biosynthetic pathway | Str | strictosidine synthase | 催化 | 关键酶，转录被Bax上调 |
| Catharanthus roseus cells | — | mouse Bax | Bax | 调控 | 异源表达的哺乳动物促凋亡蛋白，诱导植物防御反应 |
关键发现
- 用30 μmol/L β-雌二醇处理转基因长春花细胞，catharanthine含量是对照的5.0倍，总萜类吲哚生物碱含量是对照的5.5倍
- 在培养第20天加入30 μmol/L β-雌二醇，catharanthine产量约为对照的5倍，总萜类吲哚生物碱产量约为对照的5.5倍
- Bax表达高度依赖β-雌二醇浓度
- Bax诱导Tdc和Str转录显著增强，并在处理后20小时诱导PR1蛋白积累
- Bax表达抑制细胞生长，且抑制作用与诱导时间和浓度相关。
研究结论
哺乳动物Bax在长春花细胞中诱导表达可激活防御反应并上调萜类吲哚生物碱生物合成途径，显著提高目标产物产量，为植物次生代谢工程提供了一种基于全细胞调控的新策略。