2024年3月15日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所合成基因組學(xué)中心趙喬團隊在SCIENCE CHINA Life Sciences發(fā)表了題為6-Phosphogluconate dehydrogenase 2 bridges the OPP and shikimate pathway to enhance aromatic amino acid production in plants的研究論文。該工作揭示了PGD2能夠耦聯(lián)氧化磷酸戊糖途徑和莽草酸途徑，從代謝流的角度調控芳香族氨基酸及其衍生物的合成。
文章上線(xiàn)截圖
原文鏈接：https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-024-2567-4
芳香族氨基酸（Aromatic amino acids, AAAs）主要通過(guò)植物質(zhì)體中的莽草酸途徑合成。其不僅是蛋白質(zhì)的基本組成單元，還是許多重要次生代謝產(chǎn)物的前體，如生長(cháng)素、木質(zhì)素、黃酮。除了合成基礎水平的芳香族氨基酸用于蛋白質(zhì)生物合成，植物還必須根據外界環(huán)境條件的變化，調控流向芳香族氨基酸合成的碳通量，以維持下游芳香族代謝物的生產(chǎn)。因此，控制合適的芳香族氨基酸合成水平對植物生長(cháng)、繁殖和抗逆至關(guān)重要。
氧化磷酸戊糖（oxidative pentose phosphate, OPP）途徑存在于所有真核生物中，為莽草酸途徑提供代謝中間體，從而使碳流向AAAs和眾多芳香族天然產(chǎn)物的生物合成（圖1）。盡管OPP途徑的基本情況已經(jīng)被闡明，但該途徑如何影響AAAs合成，其中的細節仍然不清楚。
趙喬團隊前期基于一個(gè)芳香族氨基酸合成降低的擬南芥突變體進(jìn)行正向遺傳學(xué)篩選，得到多個(gè)能夠恢復該突變體表型的植株。進(jìn)一步通過(guò)基因組測序分析，鑒定到多個(gè)可能參與擬南芥芳香族氨基酸及衍生物合成與代謝調控的新基因。本研究中，團隊對其中一個(gè)基因進(jìn)行深入分析。該基因編碼6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶PGD2（6-Phosphogluconate dehydrogenase 2）。PGD2外顯子中的一個(gè)單核苷酸突變，導致其第63位氨基酸由谷氨酸（Glu，E）變?yōu)橘?lài)氨酸（Lys，K）。該點(diǎn)突變的存在部分恢復了adh2的缺陷表型（圖1）。
圖1 PGD2的一個(gè)點(diǎn)突變恢復了adh2生長(cháng)缺陷表型
生化分析表明，PGD2E63K的催化活性顯著(zhù)高于PGD2。根據天然存在的PGD2蛋白序列，對擬南芥PGD2第63位氨基酸殘基進(jìn)行定向突變，進(jìn)一步比較酶活，PGD2E63R（R，Arg，精氨酸）和PGD2E63K的催化活性強于PGD2E63A（A，Ala，丙氨酸）和PGD2，表明該位點(diǎn)為堿性氨基酸（即K和R）時(shí)的酶活，比該位點(diǎn)為酸性氨基酸（即E）時(shí)的酶活更強。而中性突變，例如A，對PGD2的酶活幾乎沒(méi)有影響（圖2）。
圖2 點(diǎn)突變提高PGD2酶活
通過(guò)τ-隨機加速分子動(dòng)力學(xué)（τRAMD）計算發(fā)現，與天然的PGD2相比，產(chǎn)物R5P和NADPH從PGD2E63K中解離得更快。表明PGD2的點(diǎn)突變通過(guò)促進(jìn)產(chǎn)物釋放，維持酶的可持續周轉，從而提高酶活（圖2）。
此外，Agilent 1290超高效液相色譜串聯(lián)6470三重四極桿質(zhì)譜儀（UPLC-QQQ-MS/MS）定量分析表明，E63K點(diǎn)突形式PGD2的存在，提高了AAAs及其衍生物——包括α-生育酚，酪胺，4-羥基肉桂酸，松苷，和黃酮類(lèi)化合物等——在植物中的含量（圖3）。因此，PGD2引導碳流向莽草酸途徑，從而促進(jìn)了芳香族氨基酸及其衍生物的合成。
圖3 PGD2E63K提高擬南芥中芳香族氨基酸及其衍生物的含量
由于鑒定到的點(diǎn)突變發(fā)生在相對保守的氨基酸殘基中，團隊對來(lái)自菌、藻類(lèi)、苔蘚植物、裸子植物、單子葉植物和雙子葉植物的PGD蛋白進(jìn)行定點(diǎn)突變和酶活分析。發(fā)現擬南芥中的結論在不同物種中存在一定普適性，該位點(diǎn)的氨基酸類(lèi)型會(huì )影響PGD的催化活性，而在這一位置上的堿性氨基酸比酸性氨基酸賦予PGD更高的反應效率（圖4）。
圖4 PGD偶聯(lián)OPP和莽草酸途徑以提高植物中AAA合成
以上工作從代謝流的角度闡明了植物芳香族氨基酸及其衍生物合成調控新機制，揭示了PGD2介導OPP和莽草酸途徑之間的相互作用，使OPP途徑的碳流向芳香族氨基酸的生物合成。鑒定到的PGD2突變位點(diǎn)可作為潛在的代謝工程設計靶點(diǎn)，以調控代謝流去向，提高OPP途徑下游化合物的合成。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院趙喬研究員和其團隊助理研究員吳杰為文章的通訊作者，實(shí)驗室博士后唐倩和在讀研究生黃雨欣為文章的共同第一作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和廣東省合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室、深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院等的支持。