王勇研究組利用植物底盤在紫杉醇的合成生物學研究中取得突破

  2019年10月24日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心王勇研究組在國際學術期刊Nature Communications在線發表了題為"Chloroplastic metabolic engineering coupled with isoprenoid pool enhancement for committed taxanes biosynthesis in Nicotiana benthamiana"的研究論文。該研究首次在植物底盤中實現了紫杉醇關鍵中間體5a-羥基紫杉二烯的異源合成。

  紫杉醇是從紅豆杉樹皮中分離到的一種具有抗癌活性的珍稀二萜類化合物,是廣泛用于多種癌癥治療的臨床一線藥物。紫杉醇在紅豆杉樹皮中的含量僅為干重的萬分之一左右,目前主要依賴于消耗紅豆杉資源的半合成方法獲得,遠不能滿足臨床需求。利用合成生物技術,構建紫杉醇的人工生物合成系統有望解決這一問題。以微生物底盤實現紫杉醇中間體的合成曾取得一些進展,但近年來該類工作面臨重重困難:紫杉醇的生物合成途徑異常復雜,包括19步生化反應,近半數涉及細胞色素P450酶參與,這些酶的功能性表達對微生物底盤而言是一項巨大的挑戰。與微生物底盤相比,植物底盤在膜蛋白表達、前體供應、產物耐受、分區化合成等方面具有明顯的優勢。盡管如此,迄今為止僅紫杉醇合成的第一步紫杉二烯在植物底盤中有成功的報道,細胞色素P450酶參與的紫杉醇中間體在植物底盤中尚無成功的先例。

  在本研究中,研究者將紫杉二烯合酶(TS)、紫杉二烯5α-羥化酶(T5H)及其還原酶(CPR)導入了本氏煙草體系中。通過熒光共聚焦顯微檢測發現這些酶在細胞中定位于不同的區域,這種不同的分區是此前P450酶參與的紫杉醇中間體在植物體系中未能成功合成的關鍵所在。通過葉綠體分區工程化策略,作者將紫杉二烯-5α-羥化酶及細胞色素P450還原酶進行葉綠體定位改造,保證GGPP-TS-T5H/CPR代謝通路的空間一致性,成功實現了5α-羥基紫杉二烯的合成,產量為0.9 μg/g鮮重葉片。進一步通過選擇性阻斷MEP和MVA途徑實驗,證實了在煙草體系中紫杉烷母核主要來源于MEP途徑,明確了DXS是在煙草中合成紫杉醇重要的工程化靶點,通過共強化DXS和GGPPS可以將紫杉二烯的產量提高10倍至56 μg/g鮮重水平,5α-羥基紫杉二烯的產量提高至1.3 μg/g鮮重水平。本研究為復雜天然產物的異源合成提供了一種基于植物底盤的成功案例,所建立的工程化煙草體系,為進一步解析紫杉醇的未知合成途徑提供了可能。

  中國科學院分子植物科學卓越創新中心王勇研究員為該論文的通訊作者,李建華博士為本研究論文的第一作者,外籍博士后Ishmael Mutanda 及河南大學碩士研究生王凱博參與該項研究工作。特別感謝中國科學院分子植物科學卓越中心王佳偉研究員,上海辰山植物園科研中心楊蕾研究員給予的幫助。該研究得到國家重點研發計劃、中國科學院先導B及上海市自然基金的資助。

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12879-y

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