翼齿六棱菊中臭灵丹酸生物合成的关键基因CYP450/CPR的克隆及其功能研究

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翼齿六棱菊(Laggera crispata),菊科六棱菊属植物,常见于中国西南地区。因植物全株具有浓郁的臭味且具有药效,在云南民间俗称臭灵丹。臭灵丹在中国民间有近千年的药用历史,多使用混合物入药,主治包括伤风、退热、急性扁桃体炎、流行性腮腺炎等疾病,同时也用作香薰、精油等。臭灵丹中主要活性成分臭灵丹酸及其衍生物属于倍半萜烯类酸,目前这类化合物仍依赖传统植物有机溶剂提取方法来获取,但其具有耗时、效率低、对环境不友好等缺点。近年来,飞速涌现的合成生物学、代谢工程等生物技术在生产中具有更大应用潜力。这些技术的推广应用取决于催化元件及生物合成途径的解析。因此臭灵丹中臭灵丹酸及其衍生物的生物合成路径研究显得尤为重要。参考现有植物物种的倍半萜烯类酸途径,本文推测臭灵丹酸及其衍生物合成的关键步骤是细胞色素P450(Cytochrome P450、CYP450、P450s)羟基化作用。本研究采用转录组和代谢组联用方法,整合同源序列比对、系统发育树构建、结构基序、功能结构域、序列相似性网络及蛋白酶分子对接等生信分析方法,参照菊科及拟南芥的相关基因序列,挖掘臭灵丹中臭灵丹酸生物合成途径上的相关CYP450和CPR候选基因共计8条。在转录组和代谢组生信挖掘结果中,发现臭灵丹酸类及其衍生物的生物合成路径上的CYP450和已报道路径基本一致,皆从吉玛烯A(Germacrene A,GA)通过一个CYP450发生连续的三步氧化产生倍半萜酸,再由其他CYP450进行其他位点的氧化。研究结果:(1)从臭灵丹的转录组数据中获得了数百个CYP450序列,臭灵丹中的CYP450序列这些分布在CYP71、72、85、86超家族及51、710、74、97、711单家族中,共挖掘到臭灵丹酸类衍生物生物合成路径上的相关的CYP450候选基因5条,CPR候选基因3条;(2)通过提取臭灵丹叶片RNA,反转录c DNA,PCR扩增并克隆4条候选基因;(3)通过GC-MS的方法成功验证本工作中构建的GA模块酿酒酵母表达盒子TEF1p-Ls2GAS-TEF1t可以在酿酒酵母中通过发酵产GA的热重排产物β-榄香烯,成功构建可以随意替换CYP450和CPR候选基因的酿酒酵母表达盒子HXT7p-Ls2GAS-PRM5t,进行不同P450-CPR共转化的工作,酿酒酵母的共表达是否能够成功按照预设路线产生臭灵丹酸及其他衍生物还有待研究验证。通过对云南臭灵丹叶片转录组数据的分析对臭灵丹中的CYP450进行了家族分类,并对臭灵丹酸及其衍生物生物合成途径上的CYP450进行了挖掘,有望从云南臭灵丹中挖掘更加高效的CYP450。在GA酿酒酵母表达盒子在酿酒酵母中工作验证为臭灵丹酸类的酵母工程菌的构建奠定了基础。
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