王国栋课题组发现植物细胞质体萜类合成底物分配的新机制

以下文章来源于JIPB ，作者JIPB

萜类化合物是自然界中广泛存在、种类最多的代谢产物，具有多元化的化学结构和生理活性。人们熟悉的多种植物激素（赤霉素、油菜素内酯，脱落酸和独脚金内酯）和药物（紫杉醇、青蒿素等）都属于萜类化合物。从结构上萜类化合物主要可分为单萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、三萜（C30）、四萜（C40）等。萜类化合物是种类和数目最多的一种特异性代谢化合物，其通用C5单元(DMAPP, dimethylallyl diphosphate和IPP, isopentenyl diphosphate)前体由质体的MEP (Methylerythritol phosphate)途径以及胞质的MVA (Mevalonic acid)途径合成。

在植物萜类合成途径中，短链异戊烯基转移酶的分布和生化特性决定两种C5单元在不同萜类生物合成的分配。二倍半萜（C25）以及二倍半萜类化合物是最新发现，在质体合成的萜类化合物。模式植物拟南芥中有四个短链异戊烯基转移酶编码基因和多个萜类合酶参与二倍半萜生物合成，分别命名为AtGFPPS和sesterTPS。到目前为止，二倍半萜类化合物与其它质体萜类化合物的代谢关系都不清楚。

JIPB 近日在线发表了中科院遗传发育所王国栋课题组课题组题为“Heteromerization of Short-Chain trans-Prenyltransferase Controls Precursor Allocation within a Plastidial Terpenoid Network”的研究论文（https://doi.o‍rg/10.1111/jipb.1‍3454）在本研究中，我们通过分析拟南芥GFPPS1-4四突变体，首次为证明GFPPS负责植物二半萜合成提供遗传学证据。单独过表达GFPPS基因(AtGFPPS4)的拟南芥表现出发育延缓和叶色发黄的表型，该表型主要是由内源GGPP的减少造成。有意思的是，同时双过表达sesterTPS-GFPPS基因却可以恢复单独过表达GFPPS4造成的表型。基因表达和萜类化合物分析表明，表型恢复的双过表达植物中内源GGPP的含量与野生型相差不多。这些结果暗示，GFPPS的过表达可能会降低GGPPS11的生化活性。我们利用酵母双杂、BiFC和Pull down实验证实GFPPS和GGPPS11可以发生物理互作。大肠杆菌的GGPPS互补体系和GFPPS/GGPPS11复合体体外生化表征，证明GFPPS通过互作抑制了GGPPS11的生化活性。在自然条件，由于AtGFPPS基因自身表达量较低，且与GGPPS11的组织表达特异性不同，这种生化抑制并不会对拟南芥正常生长造成不利影响。进一步研究发现短链异戊烯基转移酶形成异源多聚体不但可以发生在物种内，也可以发生在物种间，但这种多聚化造成的生化结果会有所不同。本研究不但进一步加深人们对植物GFPPS和二倍半萜合酶的认识，也为将来利用植物底盘大规模生产高附加值的萜化合物奠定理论基础。

图1. 短链异戊烯基转移酶异源多聚化控制植物细胞质体中萜类代谢流向

王国栋课题组近年来在植物新型二倍半萜化合物的发现及生物生物合成途径解析方面取得了系统进展，除基因功能鉴定，课题组还从蛋白结构的角度阐释二倍半萜合酶的分子催化机制，这些知识的积累为将来利用合成生物学的策略生产高附加值甚至自然界不存在的新型二倍半萜化合物提供理论指导（Wang et al., Mol Plant 2016; Shao et al., Org Lett, 2017; Chen et al., Sci China Life Sci 2019; He et al., Nat Plants, 2019; Chen et al., Plant Commun, 2020 and 2021）。王国栋研究员为该文章的通讯作者；王国栋课题组的博士生马义花和已经毕业的陈庆文博士为该文章的共同第一作者。该项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金植物基因组学与植物分子遗传国家重点实验室的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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