咖啡碱合成N-甲基转移酶研究进展

咖啡碱是茶叶、咖啡等饮料的主要品质成分及功能成分之一。在植物体内咖啡碱生物合成的核心途径为:黄嘌呤核苷→7-甲基黄嘌呤核苷→7-甲基黄嘌呤→可可碱→咖啡碱,其中包括3步由N-甲基转移酶催化的转甲基化反应和1步由核糖核苷水解酶催化的脱核苷反应。N-甲基转移酶是参与咖啡碱生物合成的关键酶类。介绍了植物中咖啡碱的基本情况及其生物合成途径,重点综述了咖啡碱合成N-甲基转移酶的酶学特性、NMTs的克隆、基因结构与功能的关系以及基因表达调控研究等方面国内外的研究进展,并对未来该领域的研究重点进行了探讨和展望。

茶树N-甲基转移酶基因启动子克隆及功能分析

咖啡碱是茶叶中重要的功能物质,N-甲基转移酶(NMT)是其生物合成的关键酶。本研究以英红9号茶树新梢为材料,利用hiTAIL-PCR克隆NMT1基因启动子,并采用PlantCARE等在线软件分析其顺式作用元件。根据其元件组成,设计5'递减的启动子与GUS基因一起组建了融合载体转入烟草,利用GUS染色和定量PCR方法,分析了克隆的启动子功能及其对环境因子的响应。结果表明,克隆的NMT1基因启动子长767 bp,含有TATA-box、CAAT-box等真核生物启动子基本元件及多个与植物非生物胁迫相关的响应元件。以5'递减的NMT1启动子替换pBI121中的CaMV35S启动子,构建出与GUS融合的pA、pB、pC、pD载体。在烟草叶片中进行瞬时表达,不同长度的NMT1启动子均具驱动GUS表达功能,且长度越长驱动能力越强。以含全长NMT1启动子载体pA对烟草转基因,转基因烟草各组织均检测到GUS基因的表达且表达量叶>茎>根,叶片中的表达量为根部的3倍。对转基因烟草进行不同程度光照、温度、模拟干旱和脱落酸处理后,除40℃温度条件外,其他处理的叶片中GUS基因表达在处理前后均存在显著变化,表明NMT1启动子功能受外界环境因子的胁迫影响。

南昆山毛叶茶咖啡碱合成酶的空间结构与活性位点分析

咖啡碱合成酶是茶叶中咖啡碱生物合成途径的关键酶,目前尚无对茶叶咖啡碱合成酶分子结构和催化机制的报道。预测和分析其空间结构和活性位点具有重要意义。本研究以高咖啡碱南昆山毛叶茶为材料构建c DNA文库,采用同源探针筛选c DNA文库的方法获得咖啡碱合成酶基因,通过体外原核表达对其功能进行验证,并用Modeller9.10、Autodock4.0等软件预测其编码蛋白的空间结构和活性位点,结果是:克隆得到南昆山毛叶茶咖啡碱合成酶基因MYCS1,其ORF全长1 100 bp,编码369个氨基酸,原核表达蛋白具有咖啡碱合成酶的功能;MYCS1编码蛋白的三维模型由9个α-螺旋、7个β-折叠组成,整个蛋白有一个包含β-折叠链的球形结构域和一个由独特螺旋帽组成顶盖的活性空腔。该蛋白经多氢键与甲基供体SAM结合,结合域由Asp63、Gly65、Asp103、Ser138、Phe139、Ser155等氨基酸残基构成,与甲基受体(7-m X、Tb)的结合主要通过氢键作用,并受氨基酸残基π-π堆积作用和强疏水作用的影响。结合域主要包括Phe30、Thr31、Tyr156、Trp160、Phe321等氨基酸残基。结论:南昆山毛叶茶咖啡碱合成酶具有依赖S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶家族的结构特征,底物结合位点在保守结构域,与该家族酶存在共性,特异底物识别位点存在差异,该结果为深入研究茶叶咖啡碱合成酶的催化机制奠定了基础。

英红9号茶树两可可碱合成酶的亚细胞定位和互作分析

咖啡碱是茶叶中的重要功能物质,N-甲基转移家族酶是催化黄嘌呤核苷3步转甲基化反应合成咖啡碱的关键调控酶。本研究以英红9号茶树为材料构建c DNA文库,采用同源探针筛选c DNA文库获得2个NMT基因,通过体外原核表达检测其催化功能,并用基因瞬时表达技术和酵母双杂交技术对其编码蛋白进行亚细胞定位和互作分析,获得结果:1克隆得到2个NMT基因并分别命名为YHNMT4、YHNMT14,其ORF全长分别为1 095 bp和1 066 bp,各编码365个和355个氨基酸,原核表达蛋白均具有催化7-甲基黄嘌呤合成可可碱的功能,虽前者催化合成可可碱的能力强于后者,但两者均无催化可可碱合成咖啡碱的功能;2两克隆可可碱合成酶基因在水稻原生质体瞬时表达系统中的检测表明其编码蛋白均定位于细胞质内的线粒体;3酵母双杂交表明YHNMT4与YHNMT14表达蛋白具有互作关系,YHNMT4自身表达蛋白存在互作关系,YHNMT14自身表达蛋白无互作关系。这些结果为深入研究NMT基因功能和咖啡碱合成分子调控机制提供了基础。