Proteins prenylated by type I protein geranylgeranyltransferase act positively on the jasmonate signalling pathway triggering the biosynthesis of monoterpene indole alkaloids in Catharanthus roseus
- 作者
- Vincent Courdavault, Vincent Burlat, Benoit St-Pierre, Nathalie Giglioli-Guivarc'h
- 杂志
- Plant Cell Reports（2008）
- DOI
- 10.1007/s00299-008-0610-1
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究蛋白质异戊二烯化是否参与茉莉酸（JA）信号通路，从而调控长春花中单萜吲哚生物碱（MIA）的生物合成，并明确具体是由蛋白法尼基转移酶（PFT）还是I型蛋白香叶基香叶基转移酶（PGGT-I）介导。
研究策略
使用S-紫苏醇（SP）作为蛋白质异戊二烯化通用抑制剂，结合RNA干扰特异性沉默PFT或PGGT-I的细胞系，分析茉莉酸甲酯（MeJA）诱导的MIA生物合成相关基因表达及ORCA3转录因子的响应，同时检测CaaX-异戊二烯转移酶活性是否受MeJA调控。
核心内容
该研究以长春花C20D细胞系为材料，探讨蛋白质异戊二烯化在茉莉酸（JA）信号通路中对单萜吲哚生物碱（MIA）生物合成的调控作用。研究者使用S-紫苏醇抑制蛋白质异戊二烯化，并构建RNA干扰特异性沉默PGGT-I或PFT的细胞系，分析MeJA诱导下相关基因表达及ORCA3转录因子的响应。结果显示，MeJA使MIA产量增加140%，而抑制异戊二烯化几乎完全阻断MeJA的诱导效应，仅细胞分裂素可部分恢复约25%的MIA水平。PGGT-I沉默细胞系中MeJA诱导的ORCA3表达显著下调，而PFT沉默细胞系不受影响，且MeJA不改变两种酶的体外活性。机制上，PGGT-I介导的蛋白异戊二烯化作为JA信号通路的早期正调控因子，通过ORCA3依赖和非依赖途径调控DXS、HDS、G10H等MIA合成基因表达。该发现首次明确PGGT-I而非PFT是MIA生物合成所必需的异戊二烯化酶，为通过调控蛋白异戊二烯化提高长春花生物碱产量提供了新靶点。
创新点
首次证明PGGT-I介导的蛋白异戊二烯化是茉莉酸信号通路的早期正调控因子，特异性促进MIA生物合成，而PFT不参与该过程；且该调控不依赖MeJA对PGGT-I活性的直接改变。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | MEP通路 | DXS | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶，MeJA诱导其表达受蛋白质异戊二烯化抑制影响 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | MEP通路 | DXR | — | 催化 | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶，MEP途径关键酶，其表达依赖蛋白质异戊二烯化 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | MEP通路 | HDS | — | 催化 | 羟甲基丁烯基4-二磷酸合酶，MeJA诱导表达被SP抑制 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | 单萜裂环烯醚萜通路 | G10H | — | 催化 | 香叶醇10-羟化酶，SP处理使MeJA诱导的表达完全消失 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | 单萜裂环烯醚萜通路 | SLS | — | 催化 | 裂环马钱子苷合成酶，参与MIA前体secologanin合成 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | MIA生物合成 | STR | — | 催化 | 异胡豆苷合酶，催化色胺与裂环马钱子苷缩合 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | MIA生物合成 | TDC | — | 催化 | 色氨酸脱羧酶，合成吲哚前体色胺 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | 茉莉酸信号通路 | ORCA3 | — | 调控 | AP2/ERF转录因子，MeJA诱导表达，受PGGT-I异戊二烯化蛋白正向调控 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | 细胞分裂素信号通路 | CrRR3 | — | 调控 | A型响应调控因子，CK诱导表达，不受蛋白质异戊二烯化抑制影响 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | 蛋白质异戊二烯化 | — | PGGT-I | 催化 | I型蛋白香叶基香叶基转移酶，RNA干扰沉默后MeJA诱导的ORCA3表达下调 |
| Catharanthus roseus C20D细胞系 | 蛋白质异戊二烯化 | — | PFT | 催化 | 蛋白法尼基转移酶，沉默不影响MeJA诱导的ORCA3表达 |
关键发现
- MeJA和细胞分裂素（CK）分别使MIA（阿马里新）产量增加140%和93%
- SP抑制蛋白质异戊二烯化几乎完全阻断MeJA对MIA的诱导，而CK仅恢复约25%的MIA水平
- SP导致DXS和HDS转录本下调、G10H表达完全消失，并阻断MeJA诱导的DXS、HDS、G10H表达
- SP处理使MeJA诱导的ORCA3表达在30min和6h时几乎检测不到，但不影响CK诱导的CrRR3表达
- PGGT-I沉默细胞系（G4/G5）中MeJA诱导的ORCA3表达显著下调，而PFT沉默细胞系（F18/F21）不受影响
- MeJA处理30min或6h不改变PFT和PGGT-I的体外活性。
研究结论
PGGT-I异戊二烯化的蛋白在茉莉酸信号通路早期步骤中发挥正向作用，通过ORCA3依赖和ORCA3非依赖途径调控MIA生物合成基因表达，最终影响MIA积累，该机制可解释PGGT-I对MIA生物合成的必要性。