Contribution of taxane biosynthetic pathway gene expression to observed variability in paclitaxel accumulation in Taxus suspension cultures
- 作者
- Rohan A. Patil, Martin E. Kolewe, Jennifer Normanly, Elsbeth L. Walker, Susan C. Roberts
- 单位
- Department of Chemical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA; Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA; Department of Biology, University of Massachusetts, Amherst, MA, USA
- 杂志
- Biotechnology Journal（2012）
- DOI
- 10.1002/biot.201100183
- 所属领域
- 植物生物技术/代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物细胞培养中紫杉醇积累的变异性机制不明确，限制了其商业化应用；需要解析紫杉醇生物合成通路基因表达与产量变异之间的关系。
研究策略
利用Taxus悬浮培养物中细胞聚集体大小差异，建立可预测的不同紫杉醇积累水平的培养体系；通过MeJA诱导，结合qRT-PCR比较不同积累水平下紫杉醇生物合成通路基因的表达差异。
研究路线图
核心内容
该研究以东北红豆杉悬浮培养物为对象，通过细胞聚集体大小分选建立紫杉醇积累水平差异显著的培养体系，结合茉莉酸甲酯诱导和qRT-PCR分析，系统探究了紫杉醇生物合成通路基因表达与产量变异之间的关系。结果显示，茉莉酸甲酯诱导后通路基因表达上调1.5至160倍；在紫杉醇积累差异达15倍的培养物中，小聚集体培养物的baccatin III和紫杉醇含量分别比大聚集体高120倍和15倍，其中PAM和DBTNBT基因表达分别上调12倍和7倍，T5αH、DBBT、DBAT上调1.4至2倍，而TASY和BAPT无显著差异。然而，在紫杉醇积累差异仅1.7倍的培养物中，各通路基因表达并无显著差异。这表明紫杉醇通路基因表达上调是紫杉醇合成的必要条件，但产量差异仅在差异较大时才部分归因于转录水平变化，转录后调控、前体供给、转运及降解等其他因素同样显著影响紫杉醇的最终积累。该发现为解析植物次生代谢产物产量变异的复杂调控机制提供了重要参考。
创新点
首次将不同紫杉醇积累能力的培养物（通过聚集体大小分选）与紫杉醇通路基因表达谱相关联，揭示了基因表达对产量变异的贡献及局限性。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | TASY | taxadiene synthase | 催化 | 紫杉醇合成早期关键酶，MeJA诱导后表达上调 |
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | T5αH | taxadiene 5α-hydroxylase | 催化 | 紫杉醇合成中段羟化酶，诱导后表达上调较弱 |
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | DBBT | 10-deacetylbaccatin III 10-O-benzoyl transferase | 催化 | 紫杉醇合成中段苯甲酰转移酶 |
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | DBAT | 10-deacetylbaccatin III-10-O-acetyl transferase | 催化 | 紫杉醇合成中段乙酰转移酶 |
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | PAM | phenylalanine aminomutase | 催化 | 紫杉醇合成后段关键酶，在产量差异大时上调12倍 |
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | BAPT | baccatin III:3-amino-3-phenylpropanoyl transferase | 催化 | 与苯基异丝氨酸侧链连接相关，MeJA诱导较弱 |
| Taxus cuspidata P93AF | 紫杉醇生物合成通路 | DBTNBT | debenzoyltaxol N-benzoyl transferase | 催化 | 紫杉醇合成后段苯甲酰转移酶，在产量差异大时上调7倍 |
关键发现
- MeJA诱导后，紫杉醇通路基因显著上调（1.5-160倍）
- 在紫杉醇积累差异15倍的培养物中，小聚集体培养物比大聚集体培养物的baccatin III和紫杉醇分别高120倍和15倍，其中PAM和DBTNBT基因表达分别上调12倍和7倍，T5αH、DBBT、DBAT上调1.4-2倍，TASY和BAPT无显著差异
- 在紫杉醇积累差异约2倍（1.7倍）的培养物中，各通路基因表达无显著差异。
研究结论
MeJA诱导的紫杉醇通路基因表达上调是紫杉醇合成的必要条件，但不同培养物间产量差异仅在差异较大时部分归因于基因表达变化；存在转录后、翻译后调控、前体供给、转运及降解等其他因素影响紫杉醇积累。