Correlation Analysis of the Taxane Core Functional Group Modification, Enzyme Expression, and Metabolite Accumulation Profiles Under Methyl Jasmonate Treatment
- 作者
- Guang Hao Song, Chun Fang Zhao, Meng Zhang, Chun Hua Fu, Hua Zhang, Long Jiang Yu
- 单位
- 华中科技大学生命科学与技术学院资源生物与生物技术研究所；华中科技大学生命科学与技术学院分子生物物理教育部重点实验室
- 杂志
- Biotechnology Progress（2014）
- DOI
- 10.1002/btpr.1864
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在茉莉酸甲酯（MJ）诱导的红豆杉细胞中，紫杉烷核心官能团修饰（羟基化与酰化）对紫杉醇及其前体生物合成的网络调控机制尚不清楚，尤其是羟基化与酰化步骤的相对重要性未被阐明。
研究策略
整合代谢组学和转录组学方法：利用LC-ESI-MS鉴定12种紫杉烷代谢物，利用qRT-PCR检测20个相关基因（含6个已知羟化酶基因、5个已知酰基转移酶基因及9个从转录组筛选的候选基因）的表达水平，并通过主成分分析（PCA）将代谢物谱和基因表达谱关联，比较总羟基化与总酰化对紫杉烷代谢流的影响。
研究路线图
核心内容
本研究以茉莉酸甲酯（MJ）诱导的红豆杉细胞为体系，整合代谢组学与转录组学手段，考察紫杉烷核心官能团修饰（羟基化与酰化）对紫杉醇生物合成的网络调控。通过LC-ESI-MS鉴定12种紫杉烷代谢物，qRT-PCR检测20个相关基因表达，并利用主成分分析将代谢物谱与基因表达谱关联。结果显示，MJ诱导后紫杉醇类占总紫杉烷比例由5.4%升至最高11.4%（12天），紫杉醇本身由2.2%升至5.9%，较对照增加2.7倍；而C-13位酰化产物MAT比例变化不显著。总羟化酶基因表达在6天时较对照增加41倍，相应时间点均高于总酰化酶基因（高1.4至2.6倍）。PCA贡献度分析提示新鉴定的羟化酶基因OHX1和酰基转移酶基因ACX3可能分别具有上调TAX和下调MAT的潜力。研究表明羟基化比酰化对控制流向TAX合成更为关键，T10βH、TzH、DBAT及OHX1、ACX3是调控紫杉烷代谢网络的关键基因，为紫杉醇代谢工程改造提供了优先靶点。
创新点
首次提供总羟基化对紫杉醇及其结构类似物生物合成贡献的实验证据；从先前转录组数据中筛选出4个新羟化酶基因（OHX1-4）和5个新酰基转移酶基因（ACX1-5）并分析其MJ响应表达；通过PCA贡献度分析发现OHX1和ACX3可能分别具有上调TAX和下调MAT的潜力。
研究对象（20）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | TzH | 13α-羟化酶 | 催化 | 已知羟化酶基因，催化紫杉烷C-13位羟基化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | T2zH | 2α-羟化酶 | 催化 | 已知羟化酶基因，催化紫杉烷C-2位羟基化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | T5zH | 紫杉二烯5α-羟化酶 | 催化 | 已知羟化酶基因，催化紫杉二烯C-5位羟基化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | T7βH | 7β-羟化酶 | 催化 | 已知羟化酶基因，催化紫杉烷C-7位羟基化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | T10βH | 10β-羟化酶 | 催化 | 已知羟化酶基因，催化紫杉烷C-10位羟基化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | T14βH | 14β-羟化酶 | 催化 | 已知羟化酶基因，催化紫杉烷C-14位羟基化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | OHX1 | — | 催化 | 未鉴定的候选羟化酶基因，BLAST同源性71% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | OHX2 | — | 催化 | 未鉴定的候选羟化酶基因，BLAST同源性69% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | OHX3 | — | 催化 | 未鉴定的候选羟化酶基因，BLAST同源性59% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | OHX4 | — | 催化 | 未鉴定的候选羟化酶基因，BLAST同源性50% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶 | 催化 | 已知酰基转移酶基因，催化DAB转化为B-III |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | DBTNBT | 3'-N-脱苯甲酰紫杉醇N-苯甲酰转移酶 | 催化 | 已知酰基转移酶基因，参与紫杉醇侧链修饰 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | DBBT | 2α-O-苯甲酰转移酶 | 催化 | 已知酰基转移酶基因，催化C-2位苯甲酰化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | TDAT | 紫杉二烯醇乙酰转移酶 | 催化 | 已知酰基转移酶基因，催化紫杉二烯醇乙酰化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | BAPT | 苯丙酰转移酶 | 催化 | 已知酰基转移酶基因，参与C-13侧链苯丙酰化 |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | ACX1 | — | 催化 | 未鉴定的候选酰基转移酶基因，BLAST同源性61% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | ACX2 | — | 催化 | 未鉴定的候选酰基转移酶基因，BLAST同源性59%-61% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | ACX3 | — | 催化 | 未鉴定的候选酰基转移酶基因，BLAST同源性64% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | ACX4 | — | 催化 | 未鉴定的候选酰基转移酶基因，BLAST同源性52% |
| Taxus chinensis 细胞 | 紫杉醇生物合成途径 | ACX5 | — | 催化 | 未鉴定的候选酰基转移酶基因，BLAST同源性95% |
关键发现
- MJ诱导后，TAX（紫杉醇类）占总紫杉烷比例从5.4%（1天）升至9.0%（15天），最高达11.4%（12天），而对照组从5.4%降至4.6%
- MAT比例无明显变化（诱导组从94.5%降至91.0%，对照组从94.5%升至95%）。紫杉醇比例从2.2%升至5.9%（12天），B-III比例从0.8%升至2.1%（12天），B-III、DAT和紫杉醇分别在10天、10天和12天达到峰值2.5%、2.7%和5.9%，较对照增加2.3倍、1.9倍和2.7倍。TC最高占比76.2%（10天），TMBT最高17.2%（3h）。总羟化酶基因表达在6h、16h、24h和6天分别增加13.5、4.2、1.9和41倍，总酰化酶基因分别增加10.4、7.7、7.3和29.1倍
- 羟化酶表达在相应时间点比酰化酶高2.6、1.4、2.2和2.5倍。PCA分析显示PC1分别解释代谢物、羟化酶基因和酰化酶基因方差的61%、64%和68%（MJ诱导组），56%、75%和69%（对照组）。
研究结论
羟基化比酰化对控制流向TAX合成更为关键；T10βH、TzH、DBAT以及未鉴定的OHX1和ACX3可能是调控紫杉烷代谢网络的关键基因，其中OHX1和ACX3具有上调TAX和下调MAT的潜力。