MVA和MEP途徑遺傳改造對青蒿素生物合成的影響

《MVA和MEP途徑遺傳改造對青蒿素生物合成的影響》是依託西南大學，由廖志華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：MVA和MEP途徑遺傳改造對青蒿素生物合成的影響
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：廖志華
• 依託單位：西南大學

項目摘要

青蒿素是目前治療瘧疾最有效的天然藥物之一，但在天然青蒿中含量較低。代謝工程是提高青蒿素含量的最有效手段之一，而開展青蒿素生物合成的代謝研究是實現其代謝工程的必要前提。青蒿素前體不僅由經典的MVA途徑提供，而且也由新近發現的MEP途徑提供。.本研究將以青蒿MVA途徑中的限速酶基因HMGR和MEP途徑中的限速酶基因DXR為靶基因，採用不同代謝工程策略，即打破限速步驟（過量表達HMGR/DXR）和阻斷代謝途徑（反義RNA降低HMGR/DXR表達），以及這兩種代謝工程策略聯合套用（過量表達HMGR+反義RNA降低DXR表達；過量表達DXR+反義RNA降低HMGR表達），採用轉基因技術實現對青蒿MVA和MEP途徑共8種方式的遺傳改造，同時考察轉基因青蒿的青蒿素合成能力，從而明確MVA和MEP途徑在青蒿素合成的作用，為基於MVA和MEP途徑實現青蒿素代謝工程提供理論依據。

結題摘要

青蒿素（Artemisinin）是治療瘧疾最有效的天然藥物，但在天然青蒿（Artemisia annua L.）中含量較低。代謝工程是提高青蒿素含量的最有效手段之一，而開展青蒿素生物合成研究是實現其代謝工程的必要前提。本研究將採用分子生物學和生物技術手段研究MEP和MVA途徑在青蒿素生物合成的作用。 MeJA處理青蒿發現，MVA途徑限速酶基因HMGR收到MeJA正調控，MEP途徑上多個重要結構基因包括DXS、DXR和HDR都受到MeJA正調控，這有利於MVA和MEP途徑合成更多的前體供給下游代謝產物的生物合成；同時發現，MeJA極顯著上調FPS表達，這有利於MVA和MEP途徑提供的5C前體向15C的倍半萜前體轉化；青蒿素合成特有途徑上中結構基因ADS、CYP71AV1、ALDH1和DBR2等都受到MeJA上調，從而導致MeJA處理下青蒿素合成增加；MeJA能夠上調青蒿素合成正調控轉錄因子ORA的表達，這是MeJA誘導青蒿素合成途徑中眾多基因表達上調的分子基礎。 基於此，在青蒿中過量表達MeJA合成關鍵酶基因JMT，提高內源MeJA合成，可能導致MVA途徑，MEP途徑以及青蒿素合成特有途徑基因表達上調，使得青蒿素含量提高。結果表明轉JMT青蒿中MeJA含量始終處於較高水平，從而激活包括青蒿素在內的一系列次生代謝產物生物合成，轉JMT青蒿腺毛體密度增加，發育更加完全，青蒿素含量得到大幅度提高。 在青蒿中過表達HMGR基因，能夠提高青蒿素含量。採用反義HMGR培育轉基因青蒿，未能獲得轉基因材料，分析原因在於HMGR是植物MVA途徑中的關鍵酶，MVA途徑不僅為青蒿素等植物次生代謝產物合成提供前體，同時還為植物膜脂等重要從初生代謝產物合成提供底物，HMGR被抑制，影響到與植物生存有關代謝途徑，導致未能獲得轉反義HMGR基因材料。在青蒿中過表達DXR基因，發現能夠提高青蒿素含量，這是首次採用轉基因方法證實MEP途徑遺傳改造能夠提高青蒿素生物合成。同樣未能獲得轉反義DXR基因的材料，原因在於DXR被抑制後，葉綠素合成收到嚴重影響，導致植株白化，不能存活。MVA途徑和MEP途徑遺傳改造研究表明，增加這兩條代謝途徑產物的遺傳改造方式都有利於青蒿素生物合成；這兩條途徑中任何一條途徑被阻斷，都會導致轉青蒿致死。轉基因結果表明對MVA和MEP途徑遺傳改造均能夠提高青蒿素合成。