萜类微生物生物合成研究进展

萜类是一类具有重要研究及药用价值的天然化合物.近年来,随着萜类合成途径中各种关键酶基因克隆、异源表达和功能鉴定,许多萜类生物合成途径逐渐清晰.以萜类微生物生物合成过程中的中间产物为线索,综述了应用代谢工程、合成生物学、系统生物学等技术开展的萜类微生物生物合成的研究进展.     

基于转录组数据对糙苏三萜皂苷合成途径的研究

糙苏为我国民间常用的传统草药,具有消肿、续筋接骨、祛风化痰、通络止痉、安胎等作用,三萜皂苷类化合物为其主要的生物活性成分.对糙苏组织转录组测序,挖掘其三萜皂苷生物合成途径相关基因,探究糙苏三萜皂苷化合物生物合成的分子基础.利用Trinity软件对测序结果获得的Unigenes数据进行过滤组装,并结合KEGG、GO数据库对Unigenes进行注释,预测糙苏三萜皂苷代谢的生物合成途径关键基因.结果获得了参与萜类化合物骨架生物合成的Unigenes数量为73条,39条Unigenes编码19个与萜类生物合成的关键酶,且有23条基因参与萜类物质骨架代谢途径(途径编号为ko00900),19条基因参与了倍半萜类物质代谢途径(途径编号为ko00909),涉及萜类物质骨架合成代谢途径相关酶共有15种,以及三萜代谢途径相关酶有10种.本研究获取了糙苏的三萜皂苷合成相关候选基因核苷酸和氨基酸序列,为糙苏三萜皂苷物质体外表达和生物合成奠定理论基础.     

西藏胡黄连根状茎差异表达基因的筛选及分析

 西藏胡黄连是著名的濒危西藏药材, 其粗壮的根茎部是重要的合成和储存药用萜类物质器官,萜类含量显著高于叶部。为克隆西藏胡黄连根状茎和叶的差异表达基因,利用抑制消减杂交技术,构建了根状茎特定的抑制消减文库。从该SSH文库中随机挑取片段不一的阳性克隆测序,采用Blastx进行同源比对,获得了27个表达序列标签（EST）,并获登录号。序列统计分析结果表明,其中有11个EST在GenBank中无同源性序列,推测可能是新基因片断。蛋白质功能分类结果表明,这些蛋白质与翻译、能量代谢、转运与结合、细胞膜合成、氨基酸生物合成及中间代谢6大类蛋白功能有关。为深入研究与萜类生物合成直接或间接相关基因,选择了长595 bp的差异表达EST序列EX172715进行了同源比对和蛋白系统进化分析。结果表明,EX172715具有细胞色素P450单加氧酶的特征结构,与拟南芥的细胞色素P450单加氧酶蛋白的同源性高于水稻和小麦。提供了一组与西藏胡黄连次生代谢相关的新基因库。     

重组家蝇细胞色素P450 6A1的大肠杆菌对艾氏剂的生物降解作用

以大肠杆菌为宿主表达家蝇细胞色素P450 6A1(CYP6A1)酶,在CYP6A1基因后面加入人细胞色素P450还原酶CPR基因,验证了CPR酶对CYP6A1酶催化功能的影响,和CYP6A1酶、重组大肠杆菌对艾氏剂的代谢能力.结果表明:CYP6A1蛋白对艾氏剂有环氧化作用,在CYP6A1对艾氏剂催化中起关键作用.将5μmol/L艾氏剂加入重组大肠杆菌菌液8 h可检测到163.36nmol/L艾氏剂环氧化产物狄氏剂,说明CYP6A1-CPR宿主菌对艾氏剂具有代谢能力,可用于艾氏剂污染的土壤的生物降解.     

探针药物法评价不同羟基位点苯乙酸对4种肝微粒体酶的代谢影响

通过钙沉淀法制备大鼠肝微粒体,将3-羟基苯乙酸、4-羟基苯乙酸、3,4-二羟基苯乙酸与4种亚型酶(CYP1A2、CYP2C9、CYP2E1和CYP3A4)的特异性探针药物(非那西丁、甲苯磺丁脲、氯唑沙宗、睾酮)在体外孵育,应用高效液相色谱法检测探针底物浓度,间接获得相对酶活性和计算半数抑制浓度(IC_(50)),从而对不同羟基位点苯乙酸对大鼠肝微粒体主要的CYP450酶系活性进行评价。发现不同羟基位点苯乙酸对大鼠肝微粒体主要的4种CYP450酶无抑制作用,药效作用安全,可为药物合成奠定基础。     

毛果杨苯丙氨酸解氨酶活性比较及肉桂酸制备

【目的】苯丙氨酸解氨酶(PAL)在苯丙烷代谢途径中具有重要作用,PtrPAL基因的挖掘、酶学性质分析和应用为毛果杨苯丙烷代谢途径的研究和肉桂酸(t-ca)合成提供参考。【方法】基于基因组注释信息,挖掘毛果杨PtrPAL基因,进行原核表达和酶学性质分析。以L-苯丙氨酸(L-Phe)为底物,通过全细胞催化合成t-ca。【结果】通过挖掘毛果杨基因组得到了5个PtrPAL基因,系统发育树分析表明其在进化上分为两组。PtrPAL3和PtrPAL4来自不同进化分支,选取其进行原核表达和酶学性质分析。镍柱纯化后的重组蛋白rePtrPAL3和rePtrPAL4最适温度分别是55 ℃和60 ℃,最适pH分别是8.5和8.0,比酶活分别为3.363和3.381 U/mg,且均具有微弱的酪氨酸解氨酶活力。重组蛋白的动力学分析表明,rePtrPAL3对L-Phe的亲和力更高。将rePtrPAL3应用于L-Phe脱氨生产t-ca,全细胞催化7 h可产生104 mmol/L t-ca。【结论】具有不同转录特异性的两种rePtrPAL酶学性质接近,但rePtrPAL3表现出更高的催化效率,更适合用于t-ca的生物合成。而且,其产量高于文献报道的28 mmol/L水平,具有良好的应用潜力。     

意大利蜜蜂幼虫细胞色素P450单氧酶CYP9q1在吡虫啉胁迫下的表达分析

【目的】通过生物信息学方法鉴定一种意大利蜜蜂(Apis mellifera)细胞色素P450单氧酶(CYP450)即AmCYP9q1,分析吡虫啉暴露后不同时间点蜜蜂幼虫体内该蛋白编码基因的表达模式,探讨在吡虫啉胁迫下该蛋白的解毒作用。【方法】利用生物信息学程序,分析AmCYP9q1的氨基酸序列特征、结构域、高级结构以及蛋白互作网络,预测该蛋白的生物学功能;构建系统进化树,分析AmCYP9q1在昆虫CYP450家族中的分类和进化关系;通过RT-qPCR测定幼虫经吡虫啉口服暴露后24,72 h时AmCYP9q1基因的表达情况。【结果】AmCYP9q1由510个氨基酸残基组成,相对分子质量为58.8 kDa,等电点为8.91。AmCYP9q1为亲水性蛋白,不具有信号肽和跨膜结构域。多重序列比对和系统进化分析结果表明,AmCYP9q1为CYP450家族中CYP3 Clan成员,具有典型的CYP450家族共有的保守结构域特征。RT-qPCR分析表明,与对照组相比,吡虫啉口服暴露组的AmCYP9q1基因均呈统计学意义上的上调表达(p<0.05),并且暴露后72 h时的相对表达量显著高于暴露后...     

genP基因在依纽小单孢菌中表达的分析

庆大霉素生物合成过程中的genP基因和西索米星生物合成过程中的sisI基因属同工异源酶基因,均能催化绛红糖胺3′,4′-双脱羟基反应。本研究借助组合生物合成,探索绛红小单孢菌中的genP基因能否在依纽小单孢菌中表达。首先构建genP基因替换sisI基因的同源重组质粒pKPI4,并经接合转移将其导入依纽小单孢菌TS388中,最后再通过影印筛选及PCR鉴定获得genP基因替换sisI基因的工程菌PTI886。将野生型菌株TS388、sisI基因缺失突变株TI1102(TS388△sisI)及工程菌PTI886在同等条件下进行发酵,提取其代谢产物并经薄层层析及质谱分析。结果表明,突变株TI1102不能合成西索米星,而工程菌PTI886仍能继续合成西索米星,且代谢产物组分与野生型菌株TS388相比无明显变化,说明genP基因能在依纽小单孢菌中表达。本研究揭示了同工异源酶基因异源表达的可行性,可为今后不同微生物异源基因组合的研究提供借鉴。     

抗生素生物合成调控元件的功能解析

抗生素生物合成的整个过程由多个环节构成,受到前体物供给、装配、外运、调控和抗性等因素的影响,因此形成了相应的各种生物合成元件和模块。其中最为重要的是控制生物合成基因转录和翻译等表达水平的调控蛋白及其机制。放线菌的调控蛋白有全局性、多效性和途径专一性三种类型,并形成复杂的级联调控网络,对抗生素的合成实施严谨的控制。调控基因的功能鉴定和调控机理的解析是定向提高生物合成基因转录水平和抗生素产量的重要前提,也是构建抗生素高效合成的放线菌底盘生物的必要基础。在该研究执行的前两年,本研究重点对纳他霉素产生菌和天蓝色链霉菌的多个重要调节基因及其调控机制展开了深入的研究。抗生素生物合成途径优化的重要策略之一是提高生物合成基因及其编码蛋白的表达水平,因此,解析抗生素生物合成的调控机制是实施该策略的重要前提。该研究对恰塔努加链霉菌和天蓝色链霉菌中跟那他霉素、十一烷基灵菌红素和放线紫红素相关的多个途径专一性基因和多效性基因进行了功能鉴定,揭示了放线菌抗生素生物合成复杂而特别的调控机制,为途径优化和优良底盘生物的构建奠定了基础,而且通过调控基因的改造显著提高了抗生素的产量或缩短了发酵周期,已经初步显示出改造调节基因是提高抗生素产量的重要合成生物学策略。     

烟草NtHMGR1基因的克隆和表达分析

3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)是MVA萜类合成途径的第一个关键酶,在烟草萜类物质的生物合成过程中起到重要的作用.本研究基于转录组数据,从烟草幼叶中克隆出1 815 bp、可编码604个氨基酸的HMGR1基因完整开放阅读框(ORF).经生物信息学分析显示,该基因编码的蛋白序列与番茄相似性最高;该蛋白序列无信号肽,2个区域有跨膜结构域,结构特征为膜外非分泌不稳定疏水蛋白;蛋白质二级结构由α螺旋、延伸链、β转角和不规则卷曲组成,三级结构为同源四聚体.与此同时,运用Real-time PCR对NtHMGR1基因在烟草不同组织的表达差异性进行检测,结果表明,根茎上部叶中部叶下部叶.经SA,MEJA,ABA,GA处理后,NtHMGR1基因的表达峰值出现时间以及在各时间点波动均存在差异性.     

松科植物萜类合成酶及其基因家族研究进展

萜类化合物是松科(Pinaceae)植物中重要的代谢物,它们与松科植物生长发育、信息传递、气候适应和化学防御等关系密切,在植物生理和生态等方面具有重要功能.松科植物萜类化合物还广泛应用在制药、生物燃料以及合成化学等工业领域,具有重要的经济价值.松科植物通过甲羟戊酸途径和甲基赤藓糖磷酸途径合成所有萜类物质合成所必需的5碳...     

细胞色素P450酶生物转化及新催化反应的最新进展

细胞色素P450酶(P450s或CYPs)是一类广泛存在于生命体中,依赖于亚铁血红素催化多种底物的单加氧酶。一方面,它涉及许多高活性天然产物生物合成的关键步骤,对其生物转化研究有助于提高活性分子的产率和活性;另一方面,其催化涉及金属元素以及辅助因子,其蛋白质改造和新催化反应的研发也不断取得新突破。本文就细胞色素P450酶这两方面的最近研究进展进行了总结与论述。     

药用植物中四环三萜皂苷合成生物学研究进展

萜类化合物是药用植物中结构和生物活性多样化的一类大分子化合物,是自然界中广泛存在的次级代谢产物,主要应用于食品、保健品、医药等领域。生物信息学和分子生物学研究的不断深入,极大促进了药用植物四环三萜皂苷的生物合成途径解析与关键功能基因的挖掘鉴定。本文对常见药用植物四环三萜皂苷的生物合成学研究现状展开论述,重点介绍以药用植物四环三萜皂苷为代表的几类化合物的分子合成机制和生物合成研究进展,为人工构建、优化微生物“细胞工厂”,高效合成稀有、高附加值的四环三萜类化合物,推动药用植物资源可持续利用等提供参考。     

Laboratory evolution of peroxide-mediated cytochrome P450 hydroxylation.

Enzyme-based chemical transformations typically proceed with high selectivity under mild conditions, and are becoming increasingly important in the pharmaceutical and chemical industries. Cytochrome P450 monooxygenases (P450s) constitute a large family of enzymes of particular interest in this regard. Their biological functions, such as detoxification of xenobiotics and steroidogenesis, are based on the ability to catalyse the insertion of oxygen into a wide variety of compounds. Such a catalytic transformation might find technological applications in areas ranging from gene therapy and environmental remediation to the selective synthesis of pharmaceuticals and chemicals. But relatively low turnover rates (particularly towards non-natural substrates), low stability and the need for electron-donating cofactors prohibit the practical use of P450s as isolated enzymes. Here we report the directed evolution of the P450 from Pseudomonas putida to create mutants that hydroxylate naphthalene in the absence of cofactors through the 'peroxide shunt' pathway with more than 20-fold higher activity than the native enzyme. We are able to screen efficiently for improved mutants by coexpressing them with horseradish peroxidase, which converts the products of the P450 reaction into fluorescent compounds amenable to digital imaging screening. This system should allow us to select and develop mono- and di-oxygenases into practically useful biocatalysts for the hydroxylation of a wide range of aromatic compounds.     

Structural insight into antibiotic fosfomycin biosynthesis by a mononuclear iron enzyme

The biosynthetic pathway of the clinically important antibiotic fosfomycin uses enzymes that catalyse reactions without precedent in biology. Among these is hydroxypropylphosphonic acid epoxidase, which represents a new subfamily of non-haem mononuclear iron enzymes. Here we present six X-ray structures of this enzyme: the apoenzyme at 2.0 A resolution; a native Fe(II)-bound form at 2.4 A resolution; a tris(hydroxymethyl)aminomethane-Co(II)-enzyme complex structure at 1.8 A resolution; a substrate-Co(II)-enzyme complex structure at 2.5 A resolution; and two substrate-Fe(II)-enzyme complexes at 2.1 and 2.3 A resolution. These structural data lead us to suggest how this enzyme is able to recognize and respond to its substrate with a conformational change that protects the radical-based intermediates formed during catalysis. Comparisons with other family members suggest why substrate binding is able to prime iron for dioxygen binding in the absence of alpha-ketoglutarate (a co-substrate required by many mononuclear iron enzymes), and how the unique epoxidation reaction of hydroxypropylphosphonic acid epoxidase may occur.     

Blast fungus-induction and developmental and tissue-specific expression of a rice P450<Emphasis Type="Italic">CYP72A</Emphasis> gene cluster

Cytochrome P450 gene superfamily is widely involved in diverse processes of plant development and environmental responses including defense response to pathogens.We previously isolated a rice cDNA fragment in a DD-PCR screening for blast fungus-induced genes. In the current study, we isolated a CYP72A gene cluster consisting of 7 P450 CYP72A genes (CYP72A17-23) with the conserved cDNA sequence through the public rice genome data. There are total 14 putative CYP72A members in the rice genome, with high diversity at N-terminal sequences while high homology at C-terminal sequences of those 14 putative proteins. We analyzed expression profiles of the cloned 7 CYP72A genes during pathogen infection and development. The results showed that expression of CYP72A18, 19, 22 and 23 was differentially regulated in the incompatible and compatible interactions between rice and blast fungus. Except CYP72A20, a pseudogene, other 6 CYP72A genes also exhibited temporal and spatial expression patterns, respectively.These findings provide fundamental data for rice P450 gene function analysis.     

酶改性技术研究

酶具有催化效率高、催化专一性强等显著特点,然而,酶的活力和稳定性往往不能满足应用的要求.为了改进酶的催化特性,笔者及其所在课题组20多年来长期进行酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化、酶定向进化等酶改性技术的研究,发现通过酶的改性,可以显著改进酶活力和稳定性.文中对笔者及其所在课题组在酶改性技术方面的研究成果和进展作了介绍.     

陆面模式中C3植物叶片尺度光合作用酶限制函数方程推导

由植物光合作用的生物合成及氧化反应机制出发,通过生化反应的酶催化作用底物浓度与反应速度的关系,催化反应有无竞争抑制的底物浓度与反应速度的曲线关系,推导出植物光合作用的同化速率RuBP羧化/加氧酶限制的模式,为进一步模拟陆-气相互作用中植被光合作用同化速率提供理论依据.     

植物类异戊二烯生物合成相关酶基因研究进展

类异戊二烯化合物是自然界广泛存在的一大类天然化合物,具有重要的生物学功能及经济价值．在植物体内,类异戊二烯化合物的生物合成主要有2条代谢途径：甲羟戊酸（MVA）途径和2-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）途径．综述了国内外对植物中这2条代谢途径中相关酶基因的功能、分离情况、表达特性,以及2条代谢途径之间中间产物的交换等方面的研究进展．     

Structural insights into the evolutionary paths of oxylipin biosynthetic enzymes

The oxylipin pathway generates not only prostaglandin-like jasmonates but also green leaf volatiles (GLVs), which confer characteristic aromas to fruits and vegetables. Although allene oxide synthase (AOS) and hydroperoxide lyase are atypical cytochrome P450 family members involved in the synthesis of jasmonates and GLVs, respectively, it is unknown how these enzymes rearrange their hydroperoxide substrates into different products. Here we present the crystal structures of Arabidopsis thaliana AOS, free and in complex with substrate or intermediate analogues. The structures reveal an unusual active site poised to control the reactivity of an epoxyallylic radical and its cation by means of interactions with an aromatic pi-system. Replacing the amino acid involved in these steps by a non-polar residue markedly reduces AOS activity and, unexpectedly, is both necessary and sufficient for converting AOS into a GLV biosynthetic enzyme. Furthermore, by combining our structural data with bioinformatic and biochemical analyses, we have discovered previously unknown hydroperoxide lyase in plant growth-promoting rhizobacteria, AOS in coral, and epoxyalcohol synthase in amphioxus. These results indicate that oxylipin biosynthetic genes were present in the last common ancestor of plants and animals, but were subsequently lost in all metazoan lineages except Placozoa, Cnidaria and Cephalochordata.