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Plant Journal | 蛋白组学揭示紫杉醇在红豆杉中的组织特异性及调控机制

已有 1519 次阅读 2020-4-30 13:46 |系统分类:科研笔记

紫杉醇是一种天然抗癌药物,在临床上已经广泛用于乳腺癌、卵巢癌、部分头颈癌和肺癌的治疗,被认为是人类未来20年间最有效的抗癌药物之一。紫杉醇及其衍生物最重要的天然来源是一种叫红豆杉的裸子植物,紫杉醇广泛的商业价值在最近几十年中引起了人们对红豆杉的大量研究并取得了一系列的成果。然而红豆杉不同茎干组织中代谢物的差异表达以及紫杉醇生物合成的关键蛋白和调控机制目前还知之甚少。

近日,杭州师范大学生命与环境科学学院沈晨佳研究团队在The Plant journal上发表最新成果,研究者运用蛋白组学和代谢组学方法对 紫杉醇提取的重要来源—— 红豆杉茎干组织进行系统分析,结果证实了红豆杉茎干中紫杉类物质积累的组织特异性,紫杉醇在韧皮部特异性积累,并进一步揭示了紫杉醇生物合成的调控机制,其中韧皮部特异性表达的TmMYB3对于紫杉醇生物合成的转录调控具有重要作用。

红豆杉茎干是紫杉醇提取的重要来源,主要分为皮层,韧皮部,木质部和髓部。研究者通过UPLC-MS / MS及其TIC色谱图对四个部位组织中常见的紫杉类PTX (paclitaxel ) , DAP (10-deacetylpaclitaxel ) , BAC (baccatin III ) 和10-DAB (10-Deacetylbaccatin ) 进行分析,研究结果显示不同的紫杉类在这四个组织中具有差异的分布,其中PTX和10-DAB在韧皮部积累最多。

图1. 红豆杉茎干中紫杉类的组织分布

1. 红豆杉茎干不同组织中代谢物的差异分布

为了探究不同茎干组织中植物化学组成的变化,作者通过代谢组学进行分析共鉴定到5162个潜在的代谢物,进一步分类发现代谢物数量最多的种类是“萜类和聚酮化合物的代谢” (275种代谢物) ,其次是“氨基酸代谢” (239种代谢物) 以及“脂质代谢” (224种代谢产物) 。根据四个组织特异性的差异代谢物 (DAMs) 将其分成四组,Cluster I- Cluster IV的代谢物分别主要积累在皮层、韧皮部、髓部和皮层/韧皮部。

图2. 红豆杉茎干不同组织中代谢物的差异分布

2. 红豆杉茎干不同组织中差异表达蛋白的分布

茎干组织中代谢物的组织特异性分布,可能和其中的蛋白质差异相关。为进一步了解红豆杉茎干组织中特异性表达的蛋白,作者对四个茎干组织(样本策略)进行定量蛋白质组学检测(质谱策略),共鉴定到5604个蛋白。后续通过GO注释,KOG分类和亚细胞定位预测进行分析,将四个组织特异性的蛋白分成四组,其中皮质、韧皮部、木质部和髓特异性表达的蛋白分别有329个、307个、94个和90个。同时,作者鉴定到了9个经典的TFs,其中MYB3,NAC25和GATA9样蛋白主要积累在韧皮部,提示其可能参与到韧皮部紫杉醇积累调控中。

图3. 红豆杉茎干不同组织中差异表达蛋白的分布

3. 红豆杉中紫杉类生物合成的蛋白组代谢组整合分析

紫杉醇的生物合成是一种复杂的代谢途径,涉及一系列中间代谢产物和酶的催化。本文的研究结果显示,在红豆杉茎干四个不同的组织中共鉴定到紫杉醇生物合成过程中12个关键中间代谢物和10个关键酶,其中大部分的酶像GGPPS, TS, T5αOH, TAT, T10βOH, TBT, DBAT, BAPT和 DBTNBT主要在韧皮部产生。不同的是,中间代谢物却分布在不同的组织中,揭示了参与紫杉醇生物合成的中间代谢物的可能迁移途径。

图4. 红豆杉中紫杉类生物合成的蛋白组代谢组整合分析

综上所述,研究者通过整合蛋白组学和代谢组学方法对红豆杉中茎组织的化学以及蛋白组成进行分析,代谢组学揭示了茎组织中代谢产物积累的组织特异性,其中紫杉醇在韧皮部高度积累。蛋白质组学鉴定到了紫杉醇生物合成的10个关键酶并发现韧皮部特异性表达的TmMYB3对于紫杉醇生物合成的转录调控具有重要作用。本篇研究不仅揭示了韧皮部紫杉醇积累的潜在机制,同时红豆杉茎干中紫杉类组织特异性积累表明红豆杉整个茎都具有广泛的生物技术应用潜力。

参考文献:

Chunna Yu, et al. (2020) Tissue-specific study across the stem of Taxus media identifies a phloem-specific TmMYB3 involved in the transcriptional regulation of paclitaxel biosynthesis. The Plant Journal.

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