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广藿香酮生物合成关键基因的鉴定

广藿香酮生物合成关键基因的鉴定

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作者：刘浪重庆大学

学位级别：硕士

广藿香酮是从广藿香(Pogostemon cablin(Blanco)Benth.)植物中获得的一种具有多种药理学活性的化合物,是广藿香精油制剂的主要成分,但目前广藿香酮的生物合成途径尚未被阐明。据推测,4-甲基戊酰辅酶a(4MV-CoA)可能是其生物合成所需一种... 详细信息

广藿香酮是从广藿香(Pogostemon cablin(Blanco)Benth.)植物中获得的一种具有多种药理学活性的化合物,是广藿香精油制剂的主要成分,但目前广藿香酮的生物合成途径尚未被阐明。据推测,4-甲基戊酰辅酶a(4MV-CoA)可能是其生物合成所需一种前体物质,该前体物质由4-甲基戊酸经过酰基激活酶催化后生成,再通过聚酮合酶和辅助蛋白的共同作用才能最终合成广藿香酮。为了研究广藿香酮生物合成所需的酰基激活酶和聚酮合酶,本研究对广藿香酮的生物合成途径进行了探索并得到了以下几个主要的结果:(1)通过气相色谱-质谱(GC-MS)分析广藿香植物中广藿香酮在不同发育时期的不同组织中的含量,发现广藿香酮主要在幼龄期广藿香植物的幼苗、茎和叶中大量积累,而且随着植物生长时间越长广藿香酮的生成量越少,这表明广藿香酮生成量与植株生长周龄呈负相关。与幼嫩植株相比,7周龄以上的植株含有的广藿香酮含量已经减少到几乎可以忽略不计。(2)通过构建RNAseq库、基因同源比对和“代谢物-基因关联分析”的方法鉴定了编码酰基激活酶的候选基因(包括PcAAE2)以及合成广藿香酮所需的聚酮合酶的候选基因(包括PcPKS3)。PcAAE2和PcPKS3的转录谱皆与广藿香酮在植物各个组织中积累模式呈强正相关性,这可能意味着PcAAE2是催化4-甲基戊酸形成4MV-CoA所需的酰基激活酶(AAE),而PcPKS3为广藿香酮核心结构合成所需的聚酮合酶(PKS),两个基因皆是广藿香酮生物合成通路中的重要基因。(3)PcAAE2和PcPKS3两个重组蛋白在体外进行的生化分析结果显示:PcAAE2可以催化4-甲基戊酸形成4MV-CoA,而PcPKS3可以利用丙二酰基辅酶A和脂酰辅酶A(如异戊酰基辅酶A等)作为底物生成聚酮中间体,但不能直接生成广藿香酮及其结构类似物,这说明聚酮中间体需要辅助蛋白完成正确构象重排生成广藿香酮及其结构类似物。(4)PcAAE2和PcPKS3的亚细胞定位的结果显示,PcAAE2和PcPKS3蛋白皆定位于细胞质中,这与聚酮化合物广藿香酮生物合成的部位一致。系统发育树分析表明,PcAAE2与广藿香和其他物种中定位于过氧化物酶体的其他AAE蛋白密切相关。然而,PcAAE2缺乏过氧化物酶体靶向序列1(PTS1),并且定位于细胞质中,暗示该基因是一种通过亚细胞定位改变而进化形成的功能特化基因。综上所述,本研究筛选并鉴定了广藿香植物中广藿香酮生物合成途径中所需的两个重要的酶—酰基激活酶PcAAE2以及聚酮合酶PcPKS3。该研究的结果有利于广藿香酮生物合成途径的解析,也是进一步研究广藿香酮调控机制及其合成生物学应用的基础。

关键词：广藿香酮 4-甲基戊酸 4-甲基戊酰辅酶a 酰基激活酶聚酮合酶

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