植物MEP途径的代谢调控机制

萜类代谢途径是植物中最重要的次生代谢途径之一,对其有效的调控决定着植物的生长发育、抗性及品质等各个方面。植物中类萜合成的前体物在质体中是由2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸(2-C-Methyl-D-Erythritol-4-Phosphate,MEP)途径合成的,MEP途径中的许多基因除了受到多基因编码和转录水平的调节外,还受到转录后调节机制的调节,而转录后调节是一种新发现的调节方式,其机制还不是很清楚。该文重点对近年来国内外有关植物MEP途径的多种调节方式,尤其是转录后调节的调节机制及其可能参与的信号分子方面的研究进展进行综述,为植物的MEP途径的代谢调控提供参考。

杜仲MVA和MEP途径相关基因的亚细胞定位与表达分析

通过对杜仲基因组分析,筛选并克隆出MVA途径和MEP途径的相关基因全长(Eu DXR,Eu MCT,Eu CMK,Eu MDS,Eu ACOT,Eu HMGS和Eu HMGR),并通过生物信息学方法分析其结构特征,结果表明上述基因与其他已知物种相应基因的相似度达73%~85%。通过构建亚细胞定位表达载体,并瞬时转化烟草下表皮细胞后激光共聚焦显微镜下观察显示,Eu DXR,Eu MCT,Eu CMK,Eu MDS基因编码蛋白定位于叶绿体,Eu ACOT和Eu HMGR基因编码蛋白定位于内质网,Eu HMGS基因编码蛋白定位于细胞质膜。利用转录组测序技术分析上述基因的时空表达特性表明,MEP途径相关基因在杜仲叶片中大量表达,而MVA途径相关基因在杜仲幼果中大量表达,且杜仲幼果比叶片中的橡胶含量高,因此,推断MVA途径在杜仲橡胶合成中占主导作用。

MEP途径:一个潜在的分子药靶

类异戊二烯及其衍生物构成了自然界极为多样性的化合物,这些化合物在细胞的初级和次级代谢中起着重要的作用。类异戊二烯的合成一直认为是通过甲羟戊酸(MVA)途径合成其前体物质异戊酰焦磷酸(IPP)或其异构物,二甲烯丙基焦磷酸(DMAPP)完成的。近年来在某些真细菌、原虫和植物原生质体中发现了另一条MEP(2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸)合成途径,而在哺乳动物中不存在,是极有希望的抗菌、抗疟和除草剂的分子药靶。本文就MEP途径的发现、在生物体中的重要性及MEP途径成为分子药靶的前景等作一综述。

杜仲MEP途径系列基因5′端非编码区的顺式作用元件预测

为深入了解杜仲MEP途径基因5′端非编码区的功能,在杜仲转录组和全基因组序列的基础上,利用生物信息学方法系统预测了MEP途径系列基因5′端非编码区顺式作用元件的结构和功能。生物信息学分析表明:EuDXS2基因5′端非编码区预测出共有22种共220个顺式作用元件,其中包含启动子顺式元件145个TATA-box和39个CAAT-box的可能位点;EuDXR基因5′端非编码区预测出21种共127个顺式作用元件,68个TATAbox和32个CAAT-box;EuCMK基因5′端非编码区预测出24种共134个顺式作用元件,包含32个CAAT-box和68个TATA-box;EuMDS基因5′端非编码区共预测出30种共104个顺式作用元件,其中43个CAAT-box和23个TATA-box;EuHDS基因5′端非编码区预测出35种共126个顺式作用元件,包括29个CAAT-box和34个TATA-box;EuHDR基因5′端非编码区预测出24种共115个顺式作用元件,包含19个CAAT-box和67个TATA-box。

杜仲MEP途径系列基因的基因结构预测

为深入了解杜仲MEP途径基因的功能,以杜仲转录组和基因组序列为基础,预测了MEP途径系列基因的基因结构,包含两端非编码区、内含子和外显子的确定。结果表明:EuDXS2基因基因组全长为9 455 bp,包含9个内含子和10个外显子,5′端非编码区和3′端非编码区的长度分别为1 853 bp和2 000 bp;EuDXR基因的基因组全长6 822 bp,包含11个内含子和12个外显子,5′端非编码区和3′端非编码区的长度为1 120 bp和2 163 bp;EuCMK基因的基因组全长为19 835 bp,包含10个内含子和11个外显子,5′端非编码区和3′端非编码区的长度分别为5 000 bp和424 bp;EuMDS基因的基因组全长为11 771 bp,包含2个内含子和3个外显子,5′端非编码区和3′端非编码区的长度均为5 000 bp;EuHDS基因的基因组全长为13 359 bp,包含18个内含子和19个外显子,5′端非编码区和3′端非编码区的长度均为2 000 bp;EuHDR基因的基因组全长为7 844bp,包含8个内含子和9个外显子,5′端非编码区和3′端非编码区的长度分别为1 347 bp和3 000 bp。

MVA与MEP途径抑制剂对人参皂苷合成能力的影响研究

通过MVA与MEP途径的抑制剂洛伐他汀和膦胺霉素不同浓度及作用时间对人参发根生长影响的研究,确定洛伐他汀和膦胺霉素对人参总皂苷合成的最高抑制率发生在接种后第3天,分别为57.94%和42.17%。通过对人参发根中单体皂苷Rg1、Re和Rb1含量的HPLC测定发现,洛伐他汀(50μmol/L)对上述单体皂苷合成的最高抑制率依次为50.38%、66.66%和40.11%;膦胺霉素(15μmol/L)对上述单体皂苷的最高抑制率依次为38.53%、38.85%和19.46%,与抑制剂对人参总皂苷含量的影响规律基本一致。推断人参皂苷的生物合成可能同时存在MVA和MEP途径,而MVA途径在人参皂苷的生物合成中可能起主导作用。

不同植物MEP途径中HDS基因及其功能的比较

HDS属于GcpE蛋白家族,具4Fe-4S活化中心。植物HDS既是萜类物质前体IPP合成的关键酶,也是单萜和双萜类芳香物质、类胡萝卜素、VE和叶绿素等重要物质合成的关键调控位点。其催化调节的MEP途径所合成的萜类化合物对于植物传粉、对抗天敌、代谢调控等方面具有重要作用。本文主要从基因克隆、基因功能以及基因表达特性比较三个方面来分析比较不同植物MEP途径中的HDS基因,以期深入了解该基因对萜类化合物合成的作用。

火炬松MVA和MEP途径及萜烯合成酶基因的表达分析

火炬松(Pinus taeda L.)是世界上重要的经济树种之一,其含有的松脂被广泛应用于各个行业。为了探索火炬松中萜类化合物相关酶基因的表达规律,本研究对火炬松甲羟戊酸(mevalonate,MVA)途径和甲基赤藓糖醇-4-磷酸(2-methyl-D-erythritol-4-phosphate,MEP)途径及萜烯合成酶基因的表达进行分析。结果表明本研究所选的候选基因均在火炬松松针组织中具有特异高表达,而在树皮组织中的表达水平很低。MVA途径中的AACT、HMGS、PMK和HMGR基因在火炬松嫩叶组织中的表达量均高于成熟叶组织,而MEP途径中的MCS、CMS、IDS、DXR和DXS基因相反,它们在成熟叶组织中的表达水平高于嫩叶组织,此外,GGPS基因在嫩叶组织中的表达水平高于成熟叶组织,而GPS基因在成熟叶组织中的表达水平高于嫩叶组织,FPS基因则在成熟叶和嫩叶组织中的相对表达水平无显著差异;挥发性萜类化合物合成酶基因(+)-α-pinene、(-)-α-pinene和Levopimaradiene在火炬松嫩叶组织中的表达水平高于成熟叶组织,而二萜和三萜类化合物合成酶基因Squalene、Humulene、Monoterpene和Farnesene则在成熟叶组织中表达水平更高。本研究为进一步揭示萜类化合物的生物合成调控机制提供了一定的理论基础。

利用MEP途径过表达提高β-胡萝卜素产量

构建上游甲基赤藓糖-4-磷酸(MEP)途径,获得两种重组质粒pET32a(+)-dxs-idi-ispDF和pTrcHis2B-dxs-idiispDF,然后与下游β-胡萝卜素合成途径的质粒pACYC184-M-crt一起转化进入大肠杆菌中,获得相应的重组菌株。结果表明含有MEP途径的重组菌株β-胡萝卜素产量有显著提高。

大肠杆菌羊毛甾醇合成途径的构建与优化

三萜类化合物是一类具有高附加值的次生代谢产物,羊毛甾醇是其生物合成的重要骨架化合物。为了在大肠杆菌中构建羊毛甾醇合成途径,将酵母来源的鲨烯合酶,荚膜甲基球菌来源的鲨烯环氧酶和氧化鲨烯环化酶分别克隆到载体pET28a(+)和pCDF-DUET-1中,共转入大肠杆菌BL21(DE3)底盘细胞,获得了羊毛甾醇生产菌株BT-tSSE-DXOSC。通过过表达甲基赤藓糖醇磷酸(2-C-methyl-D-erythrito-4-phosphate, MEP)途径关键酶1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶和法尼基焦磷酸合酶,增加了前体供应,使羊毛甾醇产量达2.39 mg/L,较优化前提高了2.1倍。通过发酵条件优化,确定了最优pH为7.5,诱导剂IPTG浓度0.5 mmol/L,诱导温度30℃,获得羊毛甾醇产量为5.12 mg/L,较初始条件提高了1.1倍。该研究首次构建了产羊毛甾醇的大肠杆菌工程菌株,为以羊毛甾醇为中间体的三萜类物质生物合成及相关代谢途径的研究搭建了平台。

双膦酸盐抗三种顶复门原虫研究进展

顶复门原虫可引起严重疾病威胁人类健康,如每年导致近100万人死亡的疟原虫,感染全球约1/3人口的弓形虫以及导致新生儿腹泻的隐孢子虫等。这3种顶复门原虫对全球的生物安全和公共卫生构成巨大隐患,且目前在临床上有效治疗药物有限。双膦酸盐临床上广泛用于治疗骨代谢疾病,但其化合物可有效抑制顶复门原虫生长,作用机制为竞争性抑制寄生虫类异戊二烯分子生物合成的2C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸途径(MEP途径)中的法尼基焦磷酸合酶,干扰类异戊二烯化合物的合成而发挥作用。本文综述了双膦酸盐化合物在疟原虫、弓形虫和隐孢子虫方面的相关研究,以期为临床治疗相关疾病提供理论基础。

植物类异戊二烯合成途径的研究进展

类异戊二烯广泛分布于自然界中,是结构最复杂、功能最多的一类化合物,具有极其重要的生理生态作用及经济价值。植物体内的类异戊二烯化合物从异戊烯焦磷酸(IPP)合成,IPP的合成途径主要有两条:甲羟戊酸(MVA)途径和2-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸(MEP)途径。

微藻类胡萝卜素生物合成代谢途径的研究进展

微藻是一类没有根茎叶,却能够进行光合作用的真核生物。由于微藻生长速度快、适应性强、生长不受季节影响,因此选择微藻作为提取类胡萝卜的主要原料越来越受到人们的青睐。微藻含有多种多样的生物活性化合物,如:色素、多糖和长链多不饱和脂肪酸等,它们在食品、药品及其他行业中被广泛应用。其色素包括类胡萝卜素、藻胆蛋白等,且富含的类胡萝卜素主要包括番茄红素、叶黄素和虾青素等。类胡萝卜素对视觉系统、皮肤组织有保健功能,并且能够抵抗强光、高温或深水等不良环境。本文在归纳总结主要类胡萝卜素的种类及类胡萝卜素在微藻中的分布及特点的基础上,重点对微藻中类胡萝卜素生物合成代谢途径和其过程中的相关基因以及基因克隆现状进行了阐述,为微藻类胡萝卜素代谢途径的深化研究提供参考。

正交法优选调控秦艽次生代谢产物含量变化的条件

为优选可抑制秦艽次生代谢产物含量变化的条件,该文采用3因素4水平正交试验设计方法,共设计16组处理,研究洛伐他汀(MVA途径抑制剂)、膦胺霉素(MEP途径抑制剂)和取样天数对秦艽中马钱苷酸、獐牙菜苷、獐牙菜苦苷、龙胆苦苷4种主要环烯醚萜类化合物含量的影响。结果表明:(1)4种环烯醚萜类化合物含量变化受取样天数影响最大,其次为膦胺霉素浓度,次之为洛伐他汀浓度。(2)以最佳抑制条件处理后,马钱苷酸、獐芽菜苦苷、龙胆苦苷和獐芽菜苷含量分别下降了69%、36%、33%和4%。基于正交法优选的抑制条件,对4种化合物均可抑制。综上所述,可确定调控秦艽次生代谢产物含量变化的最佳抑制条件为膦胺霉素400μmol·L^(-1),洛伐他汀50μmol·L^(-1),取样天数6 d,该条件为进一步研究MEP和MVA途径在环烯醚萜类化合物代谢合成中的调控机制奠定基础。

多花水仙HDS基因cDNA全长克隆与序列分析

以‘黄花水仙2号’和‘金盏银台’为材料,水仙各自花瓣的c DNA为模板,采用RT-PCR和RACE技术克隆出2个HDS基因,分别命名为Nt HDSY和Nt HDSJ,测序结果表明,Nt HDSY和Nt HDSJ基因全长分别为2 592 bp和2 599 bp,2个基因均含有1个2 178 bp的开放阅读框(ORF),编码745个氨基酸。同源性分析表明,黄花水仙2号与金盏银台、铁皮石斛、长春花、大豆、葡萄和苹果的相似系数分别为:97.77%、79.29%、75.29%、75.51%、75.02%和74.40%。Real-time PCR分析表明:Nt HDS基因在花瓣和副冠内的表达量在开花过程的花蕾期与盛花期存在明显差异,推测该基因可能与多花水仙香气物质的合成有关。

植物萜类合成关键基因DXS研究进展

萜类物质是自然界中广泛存在的一类天然化合物,对植物、动物和人类都有重要价值。1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)对萜类物质合成调控起关键作用,是2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸(MEP)途径的第一个酶,也是该途径的一个限速酶,亚细胞定位于类囊体中,具有质体转运肽序列和3个功能结构域:TPP结合结构域、转酮醇酶结构域和嘧啶结合结构域,可用高效液相色谱法测定其活性。目前已从178种植物中克隆分离到DXS基因,按蛋白同源性可分为3类:DXS1、DXS2和DXS3。DXS基因表达具有组织特异性、昼夜节律性,与花朵、果实发育程度和品种有关。转外源或内源DXS基因的植株过表达或抑制表达都会引起植物光合色素(如叶绿素和类胡萝卜素)、内源激素(如脱落酸和赤霉素)和单萜等萜类物质含量的改变。重点综述了DXS蛋白的特性、基因的类型、基因表达、调控和遗传转化方面的研究进展,以期为植物育种和代谢调节提供理论和实践参考。

1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)及其编码基因

萜类物质是广泛分布于生物界的一类天然产物,也是重要生命物质。萜类物质通过甲羟戊酸(MVA)途径和2-C-甲基-D-赤藻糖醇-4-磷酸(MEP)途径合成,古细菌、真菌和动物及人的萜类物质主要通过MVA途径合成,而多数真细菌(即通常而言的细菌)则利用MEP途径。植物同时拥有两种途径但分别定位于细胞质和质体。1-脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶(DXS)是MEP途径的第一个酶,也是该途径的关键调控位点。现从DXS在MEP途径中的作用、DXS结构、亚细胞定位和酶活性、编码基因及突变体等方面对DXS进行全面阐述。拟南芥DXS基因插入突变体cla1-1发生白化,DXS基因表达与类胡萝卜素等萜类物质积累密切相关,在转基因生物体中过度表达DXS可促进萜类物质合成。植物DXS具有典型的质体转运肽序列,决定了DXS的质体定位。完备的DXS活性分析体系为DXS抑制剂开发筛选等研究奠定良好基础。DXS由一至多个基因编码,随生物种类而异,根据同源性,植物DXS基因可分成两类。DXS基因家族不同成员具有不同的表达模式,但通常有一个成员在多种组织中广泛表达。

异戊二烯生物合成研究进展

异戊二烯(isoprene),又名2-甲基-1、3-丁二烯,是最简单的类异戊二烯化合物,是橡胶的重要前体物质,在精细化工如香料、新型农药等方面应用广泛。异戊二烯主要依赖化石燃料合成,但生产成本较高、易污染环境,生物法合成异戊二烯具有巨大的潜在应用价值,本文综述了生物法合成异戊二烯的主要途径与研究进展。

重组产番茄红素大肠杆菌工程菌株中异戊烯异构酶(IDI)基因的筛选

番茄红素是一类在食品、医药等领域具有广泛应用价值的萜类化合物。异戊烯基焦磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI)是番茄红素合成途径中的关键酶,也是代谢工程改造的主要靶点。本研究为了系统比较不同来源IDI对重组大肠杆菌番茄红素(Lycopene)产量的影响,分别克隆了原核微生物、真核微生物、植物、古菌等多种来源的I型及II型异戊烯基焦磷酸异构酶(IDI)基因,在大肠杆菌E.coli中异源表达,在加强自身2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸(MEP)代谢途径的背景下,通过优化多靶点组合及转化时间提高番茄红素的合成水平。结果表明酿酒酵母来源的I型IDI(Sc IDI)及枯草芽孢杆菌来源的II型IDI(Bs IDI)在经优化的背景下可以获得最高的番茄红素产量,产量分别达到9.96 mg/g DCW,8.78 mg/g DCW,番茄红素积累在转化8 h达到最高,最高能达到10.29 mg/g DCW。本研究最终确定了不同类型IDI发挥功能的条件,为后续番茄红素以及萜类化合物的代谢途径的改造提供依据。

杜仲胶生物合成机制研究进展

杜仲是我国特有野生药用和经济植物资源,在工业和临床上有着广泛应用,具有重要的经济和科学价值。通过总结和阐述杜仲胶的基本结构、主要性能、国内外有关杜仲胶生物体内合成途径和调控的分子机制的研究进展,以期为杜仲胶产业化发展提供借鉴。