化学蛋白质组学方法解析甜菊糖苷生物合成途径的未知转糖酶

Stevioside is one of the most significant sugar sources in the 21th century. In this project, we are trying to identify unkown glucotransferase involved in stevioside biosynthesis pathway through chemical proteomics approach. Traditional genomics approach, based on protein expression, may not be fully applicable for elucidating biosynthesis pathway in eukaryotic systems. Considering the interaction between enzyme and substrate, we adopt the technique of activity/affinity-based protein profiling (ABPP), which based on protein function and structure, rather than expression, to synthesize small molecule probes based on steviol scaffold and profile binding proteins in proteomes with activity and identify the specific glucotransferase. Meanwhile, by studying the model case of stevioside, we are trying to set up a common strategy for elucidating the biosynthesis pathway of secondary metabolites in eukaryotic systems.

甜菊糖苷被誉为21世纪最有发展前途的新糖源。本课题旨在利用化学蛋白质组学方法解析甜菊糖苷生源合成途径的未知转糖酶。传统的基因组学方法以蛋白表达为基础，在解析离散分布的真核体系次生代谢途径中并不完全适用。鉴于酶在催化过程中与底物分子具有一定的结合力，本课题利用以蛋白功能/结构为基础的基于活性/亲和性的化学探针技术，以甜菊苷核心骨架甜菊醇为基本结构设计小分子探针,在活性蛋白质组中筛选结合蛋白，并解析特异性催化生成甜菊糖苷的转糖酶。同时，通过以甜菊糖苷为模型的植物次生代谢产物的研究，建立研究真核体系次生代谢产物生源合成途径解析的通用模型。

植物天然产物以其多样独特的分子结构，在生命活动中扮演着重要的角色，是药物研发的重要来源。但是一些具有活性的植物次生代谢产物天然含量低,生物合成途径缺失，极大阻碍了通过合成生物学的方法进行规模化的生物制造。不同于原核天然产物合成基因的成簇形式，植物天然产物合成途径相关的基因元件相对离散性的分布在植物染色体上，限制了利用生物信息学结合遗传操作的传统策略进行植物天然产物合成途径解析的效率。本课题利用定量化学蛋白质组学策略，以二萜贝壳杉稀骨架衍生的甜菊醇(steviol)为基本结构设计化学小分子探针，分别实现在非模式植物的富产甜菊糖苷同源宿主(甜叶菊)和不产该类化合物异源(拟南芥)模式植物的功能蛋白质组中简单快捷的富集目标蛋白，从与甜菊醇骨架结合的蛋白中筛选具有特定催化活性的糖基转移酶。该研究发现，甜叶菊来源的UGT73E1、UGT76G3和拟南芥来源的UGT73C1等糖基转移酶可以作为潜在的生物合成元件催化生成新颖的代谢产物，从而实现了甜菊糖苷新型生物合成元件的挖掘和合成途径的丰富。