Science Advances | 深圳先進(jìn)院揭示芳香族氨基酸合成與代謝新機(jī)制
1月10日,中國(guó)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(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science Advances發(fā)表了題為The cytosolic aminotransferase VAS1 coordinates aromatic amino acid biosynthesis and metabolism的研究論文。該工作揭示了擬南芥中的氨基轉(zhuǎn)移酶VAS1參與芳香族氨基酸的合成與代謝,從而維持植物氨基酸穩(wěn)態(tài)。
芳香族氨基酸不僅是蛋白質(zhì)組成的基本氨基酸,也是很多次生代謝物的前體。芳香族代謝物在植物生長(zhǎng)發(fā)育,逆境脅迫響應(yīng)等方面起重要作用,同時(shí)在醫(yī)藥和人類營(yíng)養(yǎng)健康方面也被廣泛應(yīng)用。芳香族氨基酸的合成與代謝是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),植物如何調(diào)控芳香族氨基酸的合成與代謝,維持芳香族氨基酸的平衡,并不完全清晰。
基于以上背景,趙喬團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)擬南芥芳香族氨基酸合成降低的突變體進(jìn)行正向遺傳學(xué)的篩選,得到了多個(gè)該突變體的表型恢復(fù)植株。進(jìn)一步通過(guò)測(cè)序得到基因信息,發(fā)現(xiàn)了多個(gè)可能參與擬南芥芳香族氨基酸合成、代謝及調(diào)控的新基因。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其中一個(gè)基因進(jìn)行了解析。該基因編碼氨基轉(zhuǎn)移酶VAS1(REVERSAL OF SAV3 PHENOTYPE 1)。VAS1 在adh2 中的功能缺失突變部分恢復(fù)了adh2 的植物表型以及芳香族氨基酸合成下降的性狀(圖1),說(shuō)明VAS1需要消耗氨基酸。
通過(guò)對(duì)vas1基因缺失突變體的非靶代謝組分析,鑒定了VAS1的產(chǎn)物為3-羧基苯丙氨酸和3-羧基酪氨酸。研究發(fā)現(xiàn),VAS1可以利用苯丙氨酸,色氨酸和酪氨酸這三種芳香族氨基酸作為氨基供體,來(lái)合成一類新的代謝物—3-羧基苯丙氨酸/酪氨酸(圖2)。芳香族氨基酸合成通路在葉綠體,而VAS1催化的3-羧基芳香族氨基酸的合成反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。團(tuán)隊(duì)通過(guò)同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證實(shí),3-羧基芳香族氨基酸并不來(lái)源于芳香族氨基酸苯環(huán)上的直接修飾。遺傳學(xué)證據(jù)表明,VAS1的前體合成來(lái)自于細(xì)胞質(zhì)中的異分支酸途徑(圖2)。VAS1除了可以消耗氨基酸以外,還可以利用苯丙酮酸、4-羥基苯丙酮酸和3-吲哚丙酮酸為底物,在細(xì)胞質(zhì)中生成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸(圖2);而3-羧基苯丙氨酸可以抑制該反應(yīng),從而達(dá)到對(duì)氨基酸含量精確調(diào)控。
此外,團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)來(lái)自細(xì)菌、藻類、苔蘚類、石松類、蕨類、單子葉以及雙子葉等30多種植物中的代謝成分進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)3-羧基芳香族氨基酸的合成通路只存在于特定的高等物種中(圖3)。說(shuō)明植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,逐漸形成了自己獨(dú)特的代謝體系,以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化。以上工作闡明了芳香族氨基酸作為氨基供體的全新代謝方式,證實(shí)在擬南芥中有一類以3-羧基苯丙氨酸為骨架的天然產(chǎn)物。該研究解析了植物維持芳香族氨基酸內(nèi)穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制,同時(shí)也為3-羧基芳香族氨基酸為骨架的天然產(chǎn)物異源合成打下基礎(chǔ)。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院趙喬研究員為文章的通訊作者,其團(tuán)隊(duì)助理研究員吳杰和已畢業(yè)博士生陳艷紅為文章的共同第一作者,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)朱文濤副教授為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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(yàn)室、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等的支持。
圖1 VAS1缺失突變回復(fù)氨基酸合成缺陷突變體adh2的表型
圖2 芳香族氨基酸和3-羧基芳香族氨基酸的合成
圖3 3-羧基芳香族氨基酸存在于特定物種中
趙喬實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介
趙喬研究員,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成基因組學(xué)研究中心主任,國(guó)家重大人才工程(青年)專家,國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者,廣東省合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。2021,2023年入選全球前2%頂尖科學(xué)家(美國(guó)斯坦福大學(xué)與愛(ài)思唯爾數(shù)據(jù)庫(kù)(Elsevier)聯(lián)合發(fā)布)。主要從事在植物代謝,植物合成生物學(xué)。目前在研方向:(1)植物代謝及相關(guān)應(yīng)用(生物傳感器,彩色棉花等);(2)植物染色體的人工合成與應(yīng)用;(3)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高通量代謝通路解析。已在相關(guān)領(lǐng)域取得了一系列重要的成果,近5年通訊作者(含共同)發(fā)表10多篇研究論文。文章發(fā)表在包括Science Advances、Molecular Plant、Nature Communications等國(guó)際專業(yè)期刊上。詳見(jiàn)實(shí)驗(yàn)室主頁(yè):http://www.zhaoqiaolab.org/。
課題組招聘
趙喬課題組擬招聘具有藥用植物學(xué)、分析化學(xué)、分子生物學(xué)等相關(guān)研究背景博士后;以及生物、藥用植物學(xué)等相關(guān)專業(yè)科研助理。擬招聘研究方向:(1)植物天然產(chǎn)物通路解析;(2)農(nóng)作物合成微生物菌群;(3)納米材料在農(nóng)作物中的應(yīng)用;(4)植物人工染色體合成與應(yīng)用。有意申請(qǐng)者請(qǐng)將個(gè)人簡(jiǎn)歷(要求為PDF)以發(fā)送至qiao.zhao@siat.ac.cn,簡(jiǎn)歷及郵件標(biāo)題注明“應(yīng)聘崗位-學(xué)校名稱-專業(yè)-姓名”。詳情可見(jiàn)https://isynbio.siat.ac.cn/view.php?id=824。
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