Plant Cell | 李莉团队发现植物类胡萝卜素生物合成的翻译后调节因子——NUDX23

责编 | 王一

类胡萝卜素是一组对光合作用和光保护至关重要的色素，植物已经进化形成了多种策略来调控类胡萝卜素的生物合成，以满足最佳光合作用和生长的需要。类胡萝卜素对人类健康也极为重要，它为维生素 A 的合成提供前体，并且可以通过提供膳食抗氧化剂以减少慢性疾病的发生。鉴于类胡萝卜素对于植物生存和人类健康的重要作用，探明类胡萝卜素合成的基本规律，发掘参与其中的核心因子具有重大意义。

植物八氢番茄红素合成酶（PSY）是类胡萝卜素生物合成途径中最重要的限速酶之一，该酶活性决定了植物组织中类胡萝卜素的合成能力，在类胡萝卜素代谢工程中应用最为广泛。PSY功能的发挥往往需要牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（GGPPS）的参与。GGPPS作为类胡萝卜素合成前体物质GGPP的合成酶，其不仅参与类胡萝卜素合成，还用于产生叶绿素、生育酚等其他重要物质。PSY和GGPPS通过物理相互作用形成酶复合物有助于将前体引导到类胡萝卜素生物合成中，进而强化类胡萝卜素合成途径。然而，对控制这些酶活性的元件，特别是酶复合物组装的元件知之甚少。

近日，康奈尔大学、美国农业部Robert W. Holley（农业与健康）中心李莉教授团队在The Plant Cell在线发表了题为“Nudix hydrolase 23 post-translationally regulates carotenoid biosynthesis in plants”的研究论文，发现并证实NUDX23是植物中类胡萝卜素合成的翻译后调节因子。

在该项研究中，为了寻找类胡萝卜素生物合成的新型调控因子，研究者首先构建了表达了2个拟南芥类胡萝卜素基因PSY和GGPPS（GGPPS11）以及一种细菌类胡萝卜素去饱和酶基因（CrtI）的红色工程菌系统，并利用该系统筛选植物cDNA文库。研究者通过平板上细菌细胞颜色变化筛选可能影响类胡萝卜素合成的候选基因。从该筛选体系中鉴定出NUDX3基因，表达该基因的细菌细胞颜色变浅，番茄红素含量降低。已知NUDX3可能通过降低类胡萝卜素合成底物GGPP的水平进而导致番茄红素产量减少。然而，令人意外的是，在表达NUDX3的大肠杆菌细胞中，观察到PSY和GGPPS的蛋白水平均显著增加。进一步的研究发现NUDX3蛋白的Nudix结构域与PSY或GGPPS存在物理相互作用，并可以提高细菌系统中PSY和GGPPS的蛋白水平以及番茄红素的合成。

NUDX3是一种非叶绿体定位蛋白，在拟南芥NUDX蛋白家族的29个成员中，NUDX14、-19、-23、-26和-27是质体定位蛋白。工程菌系统证实NUDX23、NUDX27具有提升大肠杆菌细胞红色的作用，其中NUDX23作用最明显，并且也显著提高了PSY和GGPPS的蛋白水平。该研究进一步利用模式植物拟南芥开展遗传学和基因功能分析，以期证实NUDX23是植物中类胡萝卜素合成的翻译后调节因子。研究结果表明，超表达NUDX23基因株系的PSY和GGPPS的蛋白水平以及类胡萝卜素合成能力显著提升，而nudix23敲除株系则相反。随后，研究者通过一系列分子生物学实验证实NUDX23直接与PSY和GGPPS相互作用，并且其Nudix结构域可以独立实现这一过程。研究者还揭示了NUDX23是PSY和GGPPS的翻译后调节因子，具有影响PSY和GGPPS蛋白质稳定性的作用，并利用BN-PAGE分析明确NUDX23参与 PSY-GGPPS 酶复合物的组装，进而在类胡萝卜素生物合成过程中发挥关键作用。

长期以来，人们推测在植物类胡萝卜素合成过程中存在多酶复合体的代谢产物通道，可实现高效的类胡萝卜素生成，但关于该多酶复合体的组装机制仍然未知。NUDXs是所有植物中普遍存在的蛋白家族。该项研究为NUDX23作为植物中类胡萝卜素合成相关酶翻译后调节因子提供了生化和遗传学证据。特别是，该研究通过在nudx23（基因敲除）背景中过表达PSY和GGPPS证实 PSY-GGPPS 酶复合物的组装需要NUDX23参与，这一发现对理解类胡萝卜素合成的基本规律具有重要意义。此外，PSY-GGPPS-NUDX23 复合体可以上调代谢通量，增强类胡萝卜素的生物合成，有望为开发富含类胡萝卜素作物提供有效遗传工具。

Cornell大学植物遗传育种系Sombir Rao博士和河北农业大学园艺学院曹洪波副教授为该文章的共同第一作者，Cornell大学、USDA Robert W. Holley（农业与健康）中心Li Li教授为该文章通讯作者。该项研究得到了美国农业部研究基金的资助，以及中国国家自然科学基金、全国博士后国际交流外派项目对曹洪波副教授的资助和支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koae030