Production of the antimalarial drug precursor amorphadiene by microbial terpene synthase-like from the moss Sanionia uncinata
- 作者
- Hyeonjin Kim, Yelim Lee, Jihyeon Yu, Jong-Yoon Park, Jungeun Lee, Sang-Gyu Kim, Youbong Hyun
- 单位
- 首尔国立大学生物科学学院；韩国科学技术院生物科学系；韩国极地研究所生命科学部
- 杂志
- Planta（2024）
- DOI
- 10.1007/s00425-024-04558-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探索南极苔藓Sanionia uncinata的萜烯代谢多样性，并鉴定能合成抗疟药物前体amorpha-4,11-diene的酶。
研究策略
对野外和培养条件下的苔藓释放的挥发性萜烯进行GC-MS分析，结合系统发育重建、候选基因克隆，并在拟南芥、本氏烟草异源表达及体外酶活实验中验证功能。
研究路线图
核心内容
该研究从南极苔藓Sanionia uncinata中鉴定并功能验证了一个微生物型倍半萜合酶SuMTPSL2，该酶能够合成抗疟药物青蒿素的前体amorpha-4,11-diene。研究首先通过GC-MS分析发现该苔藓释放的挥发性萜烯中包含amorpha-4,11-diene（保留指数1480，质谱相似度89%），随后克隆候选基因并在拟南芥、本氏烟草中异源表达，证实SuMTPSL2不仅可重新合成amorpha-4,11-diene，还产生germacrene B及一种未知萜烯。体外酶活实验表明，重组SuMTPSL2可将法尼基焦磷酸转化为上述产物，而来自黄花蒿的AaADS仅产生amorpha-4,11-diene，说明SuMTPSL2具有催化混杂性。序列比对显示其NSE/DTE基序与细菌SsADS一致性高达77.8%，与植物AaADS仅33.3%，提示该酶与微生物来源更接近。该发现首次证明苔藓可独立进化出合成amorpha-4,11-diene的能力，与黄花蒿形成趋同演化，为青蒿素前体的微生物异源生产提供了新的酶学资源。
创新点
首次在苔藓中发现能产生amorpha-4,11-diene的微生物型萜烯合酶SuMTPSL2，揭示了该化合物在苔藓与黄花蒿中独立进化的趋同演化现象，为青蒿素前体的异源合成提供了新酶源。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sanionia uncinata | 倍半萜生物合成（FPP） | SuMTPSL2 | SuMTPSL2 | 催化 | 天然宿主，产生amorpha-4,11-diene等多种倍半萜 |
| Arabidopsis thaliana | 倍半萜生物合成（FPP） | SuMTPSL2 | SuMTPSL2 | 催化 | 35S启动子稳定表达，重新合成amorpha-4,11-diene |
| Nicotiana benthamiana | 倍半萜生物合成（FPP） | SuMTPSL2 | SuMTPSL2 | 催化 | 瞬时表达，产生amorpha-4,11-diene、germacrene B及未知产物 |
| Escherichia coli | 倍半萜生物合成（FPP） | SuMTPSL2（重组表达） | SuMTPSL2 | 催化 | 体外酶活实验，重组蛋白将FPP转化为amorpha-4,11-diene等产物 |
| Nicotiana benthamiana | 倍半萜生物合成（FPP） | AaADS | Amorpha-4,11-diene synthase (ADS) | 催化 | 对照实验，主要产生amorpha-4,11-diene |
| Nicotiana benthamiana | 倍半萜生物合成（FPP） | SsADS | SsADS | 催化 | 对照实验，产生amorpha-4,11-diene和未知产物 |
| Sanionia uncinata | 二萜生物合成（GGPP） | SuTPS1 | SuTPS1 | 催化 | 预测为双功能二萜合酶（类似HpDTC1），功能未经验证 |
| Sanionia uncinata | 异戊二烯生物合成（DMAPP） | SuTPS2/SuISPS-like | SuTPS2 | 催化 | 预测为异戊二烯合酶（类似CpISPS），功能未经验证 |
关键发现
- Sanionia uncinata释放多种倍半萜类挥发物，其中amorpha-4,11-diene（保留指数1480，质谱相似度89%）被明确鉴定。
- 在拟南芥中异源表达SuMTPSL2可重新合成amorpha-4,11-diene，同时产生germacrene B和一种未知萜烯。
- SuMTPSL2的NSE/DTE基序（NDVFSYHKE）与细菌SsADS（NDVFSLPKE）一致性为77.8%，与植物AaADS（NDLMTHKAE）一致性仅33.3%。
- 体外酶活实验显示，重组SuMTPSL2可将FPP转化为amorpha-4,11-diene、germacrene B及未知产物，而AaADS仅产生amorpha-4,11-diene。
- 同源比对显示SuTPS1与HpDTC1氨基酸序列一致性88.64%，SuTPS2与CpISPS一致性84.59%，TM-score为0.87。
- 在RNA-seq中，SuTPS1、SuTPS2和SuMTPSL2的转录丰度显著高于其他三个候选基因。
研究结论
SuMTPSL2是一个催化混杂的倍半萜合酶，能够合成抗疟药物前体amorpha-4,11-diene，说明南极苔藓独立进化出产生该稀有代谢物的能力，为青蒿素的微生物异源生产提供了新的酶学资源和进化视角。