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西红花苷生物合成两个关键酶的催化机制一致性研究

批准号:
82073966
项目类别:
面上项目
资助金额:
56.0 万元
负责人:
宋经元
学科分类:
中药资源
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋经元

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
西红花苷是素有“红色黄金”之称名贵中药西红花的主要活性成分,其生物合成的关键酶类胡萝卜素裂解双加氧酶CsCCD2催化机制不清楚,成为制约西红花苷合成生物学生产的难点。与西红花亲缘关系很远的栀子果实也含西红花苷,课题组研究发现其生物合成的关键酶是GjCCD4a,催化机制亦不清楚。本项目提出“关键酶CsCCD2和GjCCD4a催化机制的一致性是西红花苷生物合成的决定因素”学术假设。课题组拟从关键酶的活性部位、三维实体结构、与底物诱导契合等方面研究两个关键酶对底物番茄红素,β-胡萝卜素,玉米黄质催化产生产物西红花酸二醛(一个西红花苷合成的关键前体物质)的作用机制。进而比较两个关键酶催化作用,验证二者催化机制的一致性,获得具有优化催化能力的CsCCD2或GjCCD4a用于西红花苷的合成生物学生产。本项目为西红花苷合成生物学生产提供理论依据,对中药西红花和栀子的资源开发具有重要理论价值和应用前景。
英文摘要
Crocins are apocarotenoid glycosides, responsible for the pigmentation of the stigmas of Crocus sativus and of the mature fruits of Gardenia jasminoides. Crocin biosynthesis in saffron stigmas is initiated by carotenoid cleavage dioxygenase 2 (CsCCD2) and one in G. jasminoides does by GjCCD4a, which cleave zeaxanthin to produce crocetin dialdehyde. Up to date, their consistency and catalytic mechanisms of two key enzymes, CsCCD2 and GjCCD4a, are still uncharacterized. Here, crocin biosynthetic genes, CsCCD2 and GjCCD4a, would be functionally characterized in E. coli, in order to confirm that the protein products of the CsCCD2 and GjCCD4a genes would be able to cleave lycopene, β-carotene and zeaxanthin in bacterio, yielding crocetin dialdehyde, the first intermediate in crocin biosynthesis. Then, we will investigate its capacity to bind all three carotenoid substrates using protein structural modeling and docking analysis of CsCCD2 and GjCCD4a. Next, the active sites and induced fits of two key enzymes for substrates access will be revealed by crystal structures of these enzymes. Finally, we should compare their consistency between catalytic mechanisms of two key enzymes, CsCCD2 and GjCCD4a. Taken together, our investigation would provide significant insights into the evolution and molecular mechanism of crocin biosynthesis in crocin-producing plants. Especially, it would benefit to produce crocins using synthetic biology technology.
西红花苷是素有“红色黄金”之称名贵中药西红花的主要活性成分,其生物合成的关键酶类胡萝卜素裂解双加氧酶CsCCD2催化机制不清楚,与单子叶植物西红花亲缘关系很远的双子叶植物栀子果实也含西红花苷,申请人发现栀子不存在与西红花CsCCD2亲缘关系相近的亚家族,只有CCD1和CCD4亚家族。经生化实验验证,栀子的GjCCD4a基因与西红花CsCCD2基因功能一致,这引起申请人对二者催化机制的极大兴趣。本项目提出“关键酶CsCCD2和GjCCD4a催化机制的一致性是西红花苷生物合成的决定因素”学术假设。课题组在完整解析单子叶植物三倍体西红花基因组基础上,进一步证实西红花CsCCD2与已报道栀子GjCCD4a的体外催化活性完全相同,而西红花CsCCD4-1和CsCCD4-2未检测到催化活性,表明西红花CsCCD2与栀子GjCCD4a催化活性的独立进化。结合AlphaFold 2预测和分子对接,筛选到与玉米黄质空间上距离小于5 Å的氨基酸位点,经突变实验证实CsCCD2起催化活性的关键位点。借助蛋白结构建模和分子对接等技术,结合片段替换和定点突变等实验证实,来自两个远缘物种栀子和西红花的关键酶GjCCD4a及CsCCD2序列相似性低但结构相似性高,是二者具有相同功能的关键因素。尽管GjCCD4a及CsCCD2具有相同功能,但GjCCD4a显示了更高的催化活性。因此,基于栀子GjCCD4a蛋白的截短研究和半理性设计策略,成功获得催化活性较野生型GjCCD4a提升9.63倍的突变体,为GjCCD4a的人工改造和西红花苷的合成生物学生产提供重要支撑。..申请人以通讯作者发表论文 3 篇,包括SCI收录论文 3 篇,其中中科院一区论文 2 篇,影响因子大于10论文 1 篇。申请人受邀在The 6th Belt & Road International Conference on Traditional Medicine和第三届森林生物学高峰论坛作大会报告 2 次。在The 5th Belt & Road International Conference on Traditional Medicine and 2022 Symposium on the Chinese Medicinal Materials担任会议报告主持人。培养博士生 2 人,晋升高级职称 1人。
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