莨菪碱转运分子机理与代谢工程研究

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基本信息

  • 批准号:
    31770335
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0204.水分和营养物质的运输与代谢
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Metabolite transportation and metabolic engineering are the hot spots of the plant science field. Biosynthesis of tropane alkaloids (TAs), such as hyoscyamine, has been intensively studied at the molecular and biochemical levels, and further metabolic engineering of TAs biosynthesis has made great progress. Unfortunately, the molecular mechnism on TAs transportation is still unknown and engineering TAs transportation is impossible without the knowkedge of TAs transporters. In the TAs biosynthetic pathway, tropinone reduction is the branch point. Tropinone reductase I (TRI) reduces tropinone to tropine that participates pharmaceutical TAs biosynthesis; tropinone reductase II reduces tropinone to pseudotropine that participates calystegin biosynthesis. These suggest that TRII might compete for the substrate tropinone with TRII. However, the effect of suppressing TRII on TAs biosynthesis is unclear. There is no report on improving TAs production by regulating TAs transportion and biosynthesis together..In this project, Atropa belladonna, the most commercially important plant for TAs production, is used as material. Hyoscyamine specific transporters will be functionally identified to understand how hyoscyamine is transported in planta and estimate their values in transport engineering. TRI and TRII of A. belladonna will be functionally identified and their roles in engineering of TAs production will be revealed. Finally, based on the genes discovered in this project, we will established a novel TAs metabolic engineering strategy through comprehensively regulating transporters-key enzymes involved in target metabolite biosynthesis-key enzymes competing for target metabolite biosynthesis. As a result of these research, the new varieties of A. belladonna with high-yield TAs will be developed.
次生代谢产物转运和代谢工程是植物科学研究热点之一。托品烷生物碱(TAs) 如莨菪碱,其生物合成途径及代谢工程研究较深入。但关于TAs转运的分子机理不清楚,基于TAs转运的代谢工程研究未见报道。托品酮还原反应是TAs合成途径中的分支点,包括生成托品(参与TAs合成)和假托品(参与打碗花精类生物碱合成),对该分支点的代谢工程研究有待深入。综合调控代谢物转运和合成途径的TAs代谢工程研究未见报道。.本课题将从TAs商业药源植物颠茄中鉴定莨菪碱转运蛋白,解析其生物学功能,阐明莨菪碱转运分子机理;鉴定TAs合成途径的托品酮还原酶I(TRI)和竞争途径的托品酮还原酶II(TRII),阐明其生化功能,为针对托品酮还原反应的TAs代谢工程提供理论依据。最终基于本课题鉴定的基因,采用综合调控“转运蛋白-合成途径关键酶-竞争途径关键酶”基因的方法建立新型的TAs代谢工程策略,并培育出TAs高产转基因颠茄。

结项摘要

药用托品烷生物碱(TAs)是茄科药用植物颠茄、曼陀罗和天仙子等生产的抗胆碱药物,包括莨菪碱及其外消旋体阿托品、山莨菪碱和东莨菪碱。莨菪碱在植物中含量极低,采用合成生物学和代谢工程技术是实现其高效生物制造最理想的手段,而这些手段都依赖于开展其代谢生物学研究。植物体中莨菪碱的代谢包括其生物合成、生物降解和转运。本项目针对莨菪碱转运的分子机制及相关代谢工程研究开展工作。.莨菪碱在植物根中特异性合成,再转运至全株各位部位,表明存在相关转运蛋白参与此过程。本研究基于颠茄等药用植物的转录组分析发现了两个根特异性表达的莨菪碱转运蛋白AbHUP1和AbPDR1。酵母转运实验证明其均具有莨菪碱转运活性,干扰AbHUP1基因和AbPDR1基因的表达均导致TAs的合成被抑制;过表达AbHUP1基因和AbPDR1基因可有效提高颠茄根和叶中莨菪碱的含量。.托品酮的还原是TAs生物合成的重要代谢节点。本研究克隆了颠茄托品酮还原酶AbTRI和AbTRII基因,通过原核表达纯化获得了AbTRI和AbTRII重组蛋白并鉴定其催化活性.AbTRI能以托品酮为底物合成托品, AbTRII能以托品酮为底物合成假托品.酶动力学常数测定结果显示AbTRII的催化效率高于AbTRII,表明颠茄中假托品的合成是托品合成的重要竞争支路。过表达AbTRI或干扰AbTRII表达均可以有效提高颠茄根中托品的含量。.为了培育出莨菪碱高产颠茄,进一步开展了“转运蛋白-合成途径关键酶-竞争途径关键酶”单基因/双基因代谢工程评价。同时过表达AbHUP1基因和AbTRI基因能最大程度提高颠茄莨菪碱的产量,根和叶中莨菪碱含量分别是对照的3.23倍和3.79倍。简而言之,莨菪碱转运蛋白AbHUP1和AbPDR1的发现对解析莨菪碱在植物中转运机制具有重要意义,也为莨菪碱高效生物制造提供了有价值的基因。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Overexpression of the AbSAUR1 gene enhanced biomass production and alkaloid yield in Atropa belladonna
AbSAUR1 基因的过度表达提高了颠茄的生物量产量和生物碱产量
  • DOI:
    10.1016/j.indcrop.2019.111705
  • 发表时间:
    2019-11-15
  • 期刊:
    INDUSTRIAL CROPS AND PRODUCTS
  • 影响因子:
    5.9
  • 作者:
    Bai, Feng;Li, Siqi;Liao, Zhihua
  • 通讯作者:
    Liao, Zhihua
A Phenylpyruvic Acid Reductase Is Required for Biosynthesis of Tropane Alkaloids
托烷生物碱的生物合成需要苯丙酮酸还原酶
  • DOI:
    10.1021/acs.orglett.8b03236
  • 发表时间:
    2018-12-21
  • 期刊:
    ORGANIC LETTERS
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Qiu, Fei;Yang, Chunxian;Liao, Zhihua
  • 通讯作者:
    Liao, Zhihua
Enhancing Tropane Alkaloid Production Based on the Functional Identification of Tropine-Forming Reductase in Scopolia lurida, a Tibetan Medicinal Plant.
基于藏药用植物莨菪托品形成还原酶功能鉴定提高托品烷生物碱产量
  • DOI:
    10.3389/fpls.2017.01745
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Frontiers in plant science
  • 影响因子:
    5.6
  • 作者:
    Zhao K;Zeng J;Zhao T;Zhang H;Qiu F;Yang C;Zeng L;Liu X;Chen M;Lan X;Liao Z
  • 通讯作者:
    Liao Z
Metabolic characterization of Hyoscyamus niger root-specific putrescine N-methyltransferase
黑天仙根根特异性腐胺 N-甲基转移酶的代谢特征
  • DOI:
    10.1016/j.plaphy.2018.03.001
  • 发表时间:
    2018-06-01
  • 期刊:
    PLANT PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY
  • 影响因子:
    6.5
  • 作者:
    Geng, Chen;Zhao, Tengfei;Liao, Zhihua
  • 通讯作者:
    Liao, Zhihua
An auxin-responsive transcription factor AbLBD1 promotes the development of lateral roots and reduces the biosynthesis of tropane alkaloids inAtropa belladonna
生长素响应转录因子 AbLBD1 促进颠茄侧根发育并减少托烷生物碱的生物合成
  • DOI:
    10.1007/s11240-020-01882-7
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Plant Cell, Tissue and Organ Culture
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zeng Junlan;Wang Jing;Liu Xuechao;Qin Jianbo;Lan Xiaozhong;Chen Min;Liao Zhihua
  • 通讯作者:
    Liao Zhihua

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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    刘小强

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
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          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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