Nerylneryl diphosphate is the precursor of serrulatane, viscidane and cembrane-type diterpenoids in Eremophila species
- 作者
- Oliver Gericke, Nikolaj Lervad Hansen, Gustav Blichfeldt Pedersen, Louise Kjaerulff, Dan Luo, Dan Staerk, Birger Lindberg Møller, Irini Pateraki, Allison Maree Heskes
- 杂志
- BMC Plant Biology（2020）
- DOI
- 10.1186/s12870-020-2293-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Eremophila属植物中serrulatane、viscidane和cembrene型二萜类化合物的生物合成前体和关键酶尚不清楚，本研究旨在鉴定催化这些二萜骨架形成的酶并揭示其生物合成途径。
研究策略
通过开发新型冰冻剥离法分离叶表腺毛，构建富集腺毛的转录组数据库，同源搜索挖掘候选萜烯合酶（TPS）和顺式异戊烯基转移酶（CPT），在烟草和大肠杆菌中异源表达进行功能验证，利用GC-MS和NMR解析产物结构。
核心内容
该研究以Eremophila属植物为对象，旨在阐明serrulatane、viscidane和cembrene型二萜类化合物的生物合成前体及关键酶。研究者开发了一种新型冰冻剥离法分离叶表腺毛（直径30-40 μm），构建富集腺毛的转录组数据库，通过同源搜索挖掘候选萜烯合酶（TPS）和顺式异戊烯基转移酶（CPT），并在烟草和大肠杆菌中进行异源表达与功能验证。结果鉴定出4个二萜合酶，其中ETPS31催化生成(3Z,7Z,11Z)-cembratrien-15-ol，ETPS3产生5-hydroxyviscidane，EdTPS22和EdtTPS4产生8,9-dihydroserrulat-14-ene，后者可芳构化为serrulat-14-ene。GC-QTOFMS确认该产物分子式为C20H32（[M+H]+ m/z 273.2569，误差4.4 ppm）。同时鉴定出多个NNPP合酶，其中EdCPT1、EdtCPT1和EICP2以nerylneryl diphosphate（NNPP）为主要产物。该研究首次揭示Eremophila中三大类二萜骨架均以顺式底物NNPP为前体，由单个I类TPS直接合成，为利用合成生物学方法生产这些药物先导化合物提供了酶学基础。
创新点
首次揭示Eremophila中三大类二萜骨架（serrulatane、viscidane和cembrene型）均以顺式底物nerylneryl diphosphate (NNPP)为前体，由单个I类TPS直接合成；开发了新型腺毛分离方法；鉴定了四个新的二萜合酶和三个NNPP合酶。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Eremophila lucida | 二萜生物合成 | ETPS31 | ETPS31 | 催化 | 催化NNPP生产(3Z,7Z,11Z)-cembratrien-15-ol（6） |
| Eremophila lucida | 二萜生物合成 | ETPS3 | ETPS3 | 催化 | 催化NNPP生产5-hydroxyviscidane（8） |
| Eremophila denticulata subsp. trisulcata | 二萜生物合成 | EdtTPS4 | EdtTPS4 | 催化 | 催化NNPP生产8,9-dihydroserrulat-14-ene（11） |
| Eremophila drummondii | 二萜生物合成 | EdTPS22 | EdTPS22 | 催化 | 催化NNPP生产8,9-dihydroserrulat-14-ene（11） |
| Eremophila drummondii | 顺式异戊二烯生物合成 | EdCPT1 | EdCPT1 | 催化 | 产生NNPP为主要产物 |
| Eremophila denticulata subsp. trisulcata | 顺式异戊二烯生物合成 | EdtCPT1 | EdtCPT1 | 催化 | 产生NNPP为主要产物 |
| Eremophila lucida | 顺式异戊二烯生物合成 | EICP2 | EICP2 | 催化 | 产生NNPP为主要产物 |
| Eremophila drummondii | 顺式异戊二烯生物合成 | EdCPT2 | EdCPT2 | 催化 | 产生(Z,Z)-FPP为主要产物 |
| Eremophila lucida | 顺式异戊二烯生物合成 | EICP1 | EICP1 | 催化 | 仅产生痕量NNPP |
| Nicotiana benthamiana | 二萜生物合成 | SICPT2 | SICPT2 | 催化 | 来自番茄的NNPP合酶，用于共表达验证TPS活性 |
| Escherichia coli | 二萜生物合成 | EITPS3/EITPS31/EdtTPS4/EdTPS22 | ETPS3/ETPS31/EdtTPS4/EdTPS22 | 催化 | 在大肠杆菌中与SICPT2共表达验证催化功能 |
关键发现
鉴定出4个二萜合酶：ETPS31产生(3Z,7Z,11Z)-cembratrien-15-ol，ETPS3产生5-hydroxyviscidane，EdTPS22和EdtTPS4产生8,9-dihydroserrulat-14-ene（可芳构化为serrulat-14-ene），均以NNPP为底物。NNPP合酶中EdCPT1、EdtCPT1和EICP2以NNPP为主要产物，EdCPT2以(Z,Z)-FPP为主要产物，EICP1仅产生痕量NNPP。通过GC-QTOFMS确定8,9-dihydroserrulat-14-ene分子式为C20H32，[M+H]+ m/z 273.2569（计算值273.2577，误差4.4 ppm）。腺毛直径30-40 μm。在E. lucida叶提取物中检测到少量(3Z,7Z,11Z)-cembratrien-15-ol信号。
研究结论
Eremophila中serrulatane、viscidane和cembrene型二萜均由NNPP经I类TPS直接合成，相关CPT和TPS的鉴定为利用合成生物学方法生产这些药物先导化合物提供了酶学基础。