Nature Plants | 一个同时控制三条新分支酸代谢途径的生物合成基因簇

莽草酸途径（The shikimate pathway）是自然界中已知从头合成芳香族氨基酸的唯一途径。该途径在植物和微生物中高度保守，在哺乳动物中缺失。莽草酸途径起始于糖酵解途径和磷酸戊糖途径的两个中间产物—磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤藓糖，经过七步连续反应，最终生成分支酸（chorismate）。分支酸不仅是芳香族氨基酸（苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸）的共同前体，也是多种重要代谢物的起点，包括叶酸、生育酚、水杨酸以及绝大多数酚类化合物。作为关键代谢节点，分支酸在分支酸利用酶（chorismate utilizing enzymes, CUEs）催化下，转化为不同碳骨架结构的下游产物。目前，微生物中已鉴定出13类CUEs（图1a），而在植物中仅发现6类（图1b）。在维管植物中，通过光合作用固定的碳约有30%流入莽草酸途径，但这些碳源在植物体内的具体代谢去向仍有待进一步阐明。

图1：目前已报道的分支酸利用酶（CUEs）。（a）来源于微生物; （b）来源于植物。

近日，比利时VIB研究所/根特大学Wout Boerjan团队在Nature Plants发表了题为A biosynthetic gene cluster for three post-chorismate pathways inArabidopsis的研究论文，报道了拟南芥中一个同时控制三条新分支酸代谢途径的生物合成基因簇。

Boerjan团队长期致力于植物酚类代谢研究。在其前期发表的拟南芥代谢组学数据中，该研究团队注意到一个相对分子质量为 224Da 的未知基团常与多种酚类代谢物形成复合物。通过分离、纯化以及核磁共振分析，研究团队解析了224Da基团对应的化学结构（图2a），这是一类在植物中首次发现的新型化合物，结构上近似分支酸。为了解析该类化合物的生物合成途径，研究团队利用他们先前发表于《Molecular Plant》上的拟南芥全基因组关联分析（GWAS）数据，定位到拟南芥第 5 号染色体上的一个显著关联位点（图2b）。在该位点上下游共 100 kb 的基因区间内，分布着多个编码不同酶家族的基因。其中，两个氧化还原酶基因CRUE1和CRUE2，两个甲基转移酶基因DCMT1和DCMT2，以及一个糖基转移酶基因UGT76E9，在拟南芥幼苗期的根和下胚轴，以及成熟期的茎秆中均表达较高且呈现类似的表达模式。上述结果提示，这些共表达的酶编码基因可能参与同一个代谢网络，形成一个生物合成基因簇（图2c）。

图2：包含224Da基团的化合物结构及其GWAS定位结果。（a）包含224 Da基团的化合物结构；（b）曼哈顿图展示代谢物5a的GWAS定位结果；（c）图b中定位位点100 Kb范围内的基因分布以及基因注释。

研究团队从遗传学和生物化学两个层面验证了该生物合成基因簇的功能。通过结合突变体的代谢组学分析和体外酶活性实验，研究团队明确了该基因簇中五个核心基因的催化功能（图3）：CRUE1和CRUE2分别催化分支酸的两种不同还原反应，生成 1,2-二氢分支酸（化合物1b）和 2,5-二氢分支酸（化合物1a）。随后，这两种中间体可被甲基转移酶DCMT1在其顶部羧基进行甲基化，再由糖基转移酶UGT76E9在其底部羟基进行糖基化，最终由另一甲基转移酶 DCMT2对侧链羧基进行第二次甲基化修饰，从而形成两条起始于分支酸的平行代谢途径。这两条途径的最终产物（化合物4a和4b）在拟南芥幼苗根中的积累水平极高，显著高于大多数硫代葡萄糖苷。

图3：拟南芥中新鉴定的三条分支酸代谢途径。

为了探究该类化合物在拟南芥中的生物学功能，研究人员构建了一个三突变体（cure1cure2cure3），通过破坏分支酸的还原反应，同时阻断了上述两条代谢途径。令人意外的是，三突变体在整体生长和发育表型上与野生型拟南芥并无显著差异，其它已知的分支酸代谢途径也未明显改变，提示拟南芥中还存在未知的分支酸代谢途径。基于该假设，研究人员在三突变体中新鉴定出一类显著积累的化合物：分支酸–谷胱甘肽复合物。遗传学和生化证据表明，即便分支酸还原受阻，分支酸仍可依次被DCMT1甲基化、UGT76E9糖基化和DCMT2二次甲基化修饰。这些修饰后的产物能够进一步与谷胱甘肽结合，形成多种不同修饰形式的分支酸–谷胱甘肽复合物（图3）。

综上，该研究鉴定了拟南芥中一个新的生物合成基因簇，控制三条分支酸代谢途径。其中两条途径产生一类新的次生代谢产物—二氢分支酸衍生物，并在拟南芥根中大量积累。第三条途径产生分支酸-谷胱甘肽复合物，似乎是一种防止分支酸过度积累的解毒途径。基因组分析表明，该基因簇不仅存在于拟南芥及其近缘物种中，还存在于部分远缘十字花科植物中，但在十字花科外未发现。该研究不仅扩展了对拟南芥光合碳代谢命运的理解，也揭示了植物合成基因簇在植物代谢网络中的复杂角色（不仅仅是一个基因簇控制一条代谢途径）。

比利时VIB研究所/根特大学博士后彭梦为论文第一作者，Wout Boerjan教授为通讯作者。感谢李进博士，刘新宇博士，刘安然博士研究生以及其他合作者，特别感谢美国威斯康辛大学John Ralph教授及其团队。该研究得到了欧盟玛丽居里学者基金，欧盟ERC基金，比利时FWO基金，中国CSC基金以及美国威斯康辛大学、DOE基金的资助。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-025-02185-5