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植物如何打开和关闭萜类生产
发表日期: 2018-09-05 作者: Laura K. Henry等 文章来源:《自然植物学》
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萜类化合物(一种富含碳的化合物)不但对植物具有生理学作用,并且被用于人类香料、调味品、生物燃料和制药。植物萜类化合物是很好的营养补充剂、天然杀虫剂,广泛用于疟疾和癌症药物,例如治疗乳腺癌、卵巢癌、肺癌、膀胱癌和前列腺癌的紫杉醇就是一种萜类化合物。但是,植物生产它们的数量如此之低,以至于提取它们非常昂贵,常常不切实际。

Nature Plants》杂志上最新文章,在普渡大学教授Natalia DudarevaSalk主任Joseph P. Noel教授领导下,解开了植物如何开启或关闭萜类产量涨落的代谢控制途径,这项发现对最终克服萜类原材料产量瓶颈至关重要。

几年前,我们实验室发现了一种存在于所有植物中的酶,名叫异戊烯磷酸激酶(IPK),它能调节萜类化合物的衰退和流出。我们最开始是在一种古细菌中发现了它的作用,”Joseph P. Noel教授说。“2010年和2013年我们首次鉴定了这种酶的3D结构和生化性质,并在所有植物中发现了先前未知的这种酶的编码基因,它们与最初在细菌中发现的极为相似。

由于萜类化合物生产非常消耗碳和能量,它们的形成受到细菌或植物宿主的严格控制。

我们已经开始运用植物生产这些化合物,但产量很小,可能需要成百上千株植物才能获得足够量的药用成品。我们的基础研究发现为更快、更有效的萜类化合物生产以造福人类铺设了一条新道路。

IPKs将惰性单磷酸萜类化合物转化成有用的二磷酸盐基材,研究小组采用结构生物学、生物化学、植物遗传学和合成生物学多管齐下的方法,确认了两种Nudix酶是移除磷酸基团以将活化的萜类二磷酸还原回萜类单磷酸惰性池的缺失环节。

Nudix水解酶家族在所有生命体中都是保守的,但它们的生物学作用在很大程度上还是未定义的,文章共同一作、Noel实验室的博后研究员Suzanne Thomas说。在这里,我们发现了它们在植物中的一个意想不到的新功能。

我们证明,下游萜类产品形成受IPKNudix共同调节,文章共同一作、Dudareva实验室的博士生Laura Henry说。如果植物生产太多萜类化合物,可能有毒害作用,这就是植物限制它的原因和背后机理。(来源:生物通  伍松)

 

Contribution of isopentenyl phosphate to plant terpenoid metabolism

 

Abstract  Plant genomes encode isopentenyl phosphate kinases (IPKs) that reactivate isopentenyl phosphate (IP) via ATP-dependent phosphorylation, forming the primary metabolite isopentenyl diphosphate (IPP) used generally for isoprenoid/terpenoid biosynthesis. Therefore, the existence of IPKs in plants raises unanswered questions concerning the origin and regulatory roles of IP in plant terpenoid metabolism. Here, we provide genetic and biochemical evidence showing that IP forms during specific dephosphorylation of IPP catalysed by a subset of Nudix superfamily hydrolases. Increasing metabolically available IP by overexpression of a bacterial phosphomevalonate decarboxylase (MPD) in Nicotiana tabacum resulted in significant enhancement in both monoterpene and sesquiterpene production. These results indicate that perturbing IP metabolism results in measurable changes in terpene products derived from both the methylerythritol phosphate (MEP) and mevalonate (MVA) pathways. Moreover, the unpredicted peroxisomal localization of bacterial MPD led us to discover that the step catalysed by phosphomevalonate kinase (PMK) imposes a hidden constraint on flux through the classical MVA pathway. These complementary findings fundamentally alter conventional views of metabolic regulation of terpenoid metabolism in plants and provide new metabolic engineering targets for the production of high-value terpenes in plants.

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-018-0220-z

 


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