Different Roles of the Mevalonate and Methylerythritol Phosphate Pathways in Cell Growth and Tanshinone Production of Salvia miltiorrhiza Hairy Roots
- 作者
- Dongfeng Yang, Xuhong Du, Xiao Liang, Ruilian Han, Zongsuo Liang, Yan Liu, Fenghua Liu, Jianjun Zhao
- 单位
- College of Life Science of Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, China; College of Life Science of Northwest A&F University, Yangling, China; Xinxiang University, Xinxiang, China; Tianjin Tasty Modern TCM Resources Co., Ltd., Tianjin, China; College of Medicine of NingXia Teachers University, Yinchuan, China
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0046797
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
揭示MVA和MEP途径在丹参毛状根细胞生长和丹参酮生物合成中的不同作用，以及两条途径之间的交叉对话（crosstalk）
研究策略
利用MVA途径特异性抑制剂美伐他汀（MEV）、MEP途径特异性抑制剂磷胺霉素（FOS）和IPP转运抑制剂D,L-甘油醛（DLG）扰动代谢流，测定毛状根生长、丹参酮积累/释放/总产量、相关基因表达和酶活性
核心内容
本研究利用MVA途径特异性抑制剂美伐他汀（MEV）、MEP途径特异性抑制剂磷胺霉素（FOS）及IPP转运抑制剂D,L-甘油醛（DLG）处理丹参毛状根，系统考察了这两条异戊二烯前体合成途径在细胞生长与丹参酮积累中的差异化功能。结果显示，10 μM MEV使毛状根生长降低34%，而150 μM FOS仅降低15%，表明MVA途径对细胞生长的贡献更大；但FOS对丹参酮含量的抑制效应显著强于MEV，如FOS使丹参酮IIA降至对照的23%，而MEV处理仍保留50%，表明MEP途径是丹参酮生物合成的主要前体来源。MEV与DLG或FOS与DLG联合处理进一步加剧了生长和丹参酮产量的下降，说明部分前体通过质体与胞质间的IPP转运实现交叉对话。基因表达和酶活性分析显示，MEV处理6小时使HMGR表达升高20倍，FOS处理使DXS和DXR表达分别升高6倍和8倍，对应酶活性分别升至对照的271%和289%，随后在24小时回落，表明抑制剂引起的代谢扰动在转录和酶活层面均获得反馈性响应。这些结果明确了MVA和MEP途径在丹参毛状根中的功能分工：前者主要支撑细胞生长，后者主导丹参酮合成，且两条途径间的交互补偿对维持代谢稳态具有重要意义。
创新点
明确了MVA途径主要贡献于细胞生长，MEP途径是丹参酮合成的主要前体来源；证明两条途径间存在部分交叉对话，且抑制剂介导的变化反映在基因转录和酶活性水平
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Salvia miltiorrhiza hairy roots（丹参毛状根） | MVA（甲羟戊酸）途径 | HMGR | HMGR（3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶） | 催化 | MVA途径限速酶，受MEV特异性抑制 |
| Salvia miltiorrhiza hairy roots（丹参毛状根） | MEP（甲基赤藓醇磷酸）途径 | DXS | DXS（1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶） | 催化 | MEP途径关键酶，其表达和活性受FOS处理影响 |
| Salvia miltiorrhiza hairy roots（丹参毛状根） | MEP（甲基赤藓醇磷酸）途径 | DXR | DXR（1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶） | 催化 | MEP途径关键酶，受FOS特异性抑制，表达受FOS显著调控 |
关键发现
- 10 μM MEV使毛状根生长降低34%，150 μM FOS使生长降低15%
- MEV+DLG和FOS+DLG分别使生长降至对照的48%和58%。MEV使丹参酮I、隐丹参酮、二氢丹参酮I和丹参酮IIA含量分别降至对照的60%、85%、83%和50%
- FOS使它们分别降至39%、59%、60%和23%。FOS处理下四种丹参酮含量仅为MEV处理的64%、70%、72%和46%。MEV+DLG使四种丹参酮分别降至17%、74%、55%和12%
- FOS+DLG使它们分别降至18%、57%、53%和15%。对照培养基中四种丹参酮含量分别为4.4、5.7、6.0和16.2 μg/g，FOS使它们降至对照的47%、18%、67%和52%。MEV使四种丹参酮总产量分别降至对照的45%、62%、60%和38%，FOS使它们分别降至33%、49%、51%和22%。MEV处理6h使HMGR表达升高20倍、24h降至对照的35%
- FOS处理6h使DXS和DXR表达分别升高6倍和8倍、24h降至31%和27%。MEV处理6h使HMGR活性升至对照的271%、24h降至51%
- FOS处理6h使DXS活性升至对照的289%、24h降至35%。
研究结论
在丹参毛状根中，MVA途径在细胞生长中起主要作用，而MEP途径是丹参酮生物合成的主要前体来源；两条途径均参与丹参酮合成，且细胞生长和丹参酮产生部分依赖于MVA与MEP途径之间的交叉对话；抑制剂对丹参酮产生的调节作用与相关基因的转录和酶活性水平变化一致。