Metabolic alteration of Catharanthus roseus cell suspension cultures overexpressing geraniol synthase in the plastids or cytosol
- 作者
- Mohd Zuwairi Saiman, Karel Miettinen, Natali Rianika Mustafa, Young Hae Choi, Robert Verpoorte, Anna Elisabeth Schulte
- 单位
- Institute of Biology, Leiden University; Institute of Biological Sciences, Faculty of Science, University of Malaya; Centre for Research in Biotechnology for Agriculture (CEBAR), University of Malaya; ExPlant Technologies B.V.
- 杂志
- Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)（2018）
- DOI
- 10.1007/s11240-018-1398-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
长春花细胞培养中香叶醇前体供应不足限制单萜吲哚生物碱(TIA)合成，试图通过在不同亚细胞区室过表达香叶醇合酶(CrGES)来增强前体供应并促进TIA积累。
研究策略
将全长CrGES（质体定位）和去除导肽的ΔplCrGES（胞质定位）通过基因枪转化非产TIA的长春花MP183L细胞系，组成型表达，运用HPLC、GC-MS和NMR代谢组学分析代谢变化，并结合茉莉酸诱导和甲羟戊酸饲喂验证。
研究路线图
核心内容
该研究在非产单萜吲哚生物碱（TIA）的长春花MP183L细胞系中，通过基因枪转化分别过表达全长香叶醇合酶（质体定位）和去除导肽的截短版本（胞质定位），以探究亚细胞区室化对前体供应和TIA积累的影响。代谢组学分析显示，所有转化系均未检测到香叶醇或TIA，仅积累色氨酸和色胺，说明单独过表达CrGES不足以驱动TIA合成，存在其他限速步骤。茉莉酸诱导后各系均产生阿吗碱等TIA，但仅有胞质表达系ΔplCrGES#19的TIA水平显著高于对照。值得注意的是，质体过表达系中缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸含量比胞质系高1.7至2.5倍，比对照高1.3至1.7倍，而胞质系这些氨基酸显著降低，表明CrGES的亚细胞定位重塑了初级代谢，特别是莽草酸途径。甲羟戊酸饲喂未能促进TIA生成，进一步提示胞质GPP供应不足限制了胞质GES功能。该结果意味着需结合胞质GPPS共表达或诱导型启动子等多基因策略才能有效推动TIA生物合成。
创新点
比较CrGES在质体与胞质表达对代谢的不同影响；通过NMR代谢组学发现不同亚细胞定位改变初级代谢，特别是莽草酸途径氨基酸水平；提出胞质GPP不足限制胞质GES作用。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus cell line MP183L | 单萜吲哚生物碱生物合成/MEP途径 | CrGES | geraniol synthase（香叶醇合酶） | 催化 | 全长酶，定位于质体；催化GPP转化为香叶醇 |
| Catharanthus roseus cell line MP183L | 单萜吲哚生物碱生物合成/MEP途径 | ΔplCrGES | 截短的geraniol synthase（去质体导肽） | 催化 | 定位胞质，试图利用胞质GPP |
关键发现
- 成功建立质体和胞质表达CrGES的转基因长春花细胞系
- 所有转化系均未检测到TIA、环烯醚萜前体或香叶醇，仅检测到色氨酸和色胺
- 茉莉酸诱导后各系产生阿吗碱、它勃宁等TIA，但只有ΔplCrGES#19系TIA明显高于对照
- 甲羟戊酸饲喂未能促进TIA生成
- 质体CrGES过表达系中缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸比胞质系高1.7-2.5倍，比对照高1.3-1.7倍；而胞质系这些氨基酸显著降低。
研究结论
仅在非产TIA的长春花细胞系中过表达CrGES不足以驱动TIA合成，存在其他限速步骤；CrGES的亚细胞定位影响初级代谢，质体过表达增强莽草酸途径相关氨基酸积累，胞质过表达则降低；需结合其他基因操作如胞质GPPS共表达或诱导型启动子。