青蒿素生物合成基因的转录谱分析

1、青蒿素生物合成基因的转录谱分析         11-02-25 11:01:00     编辑：studa20                     作者：杨瑞仪,杨雪芹,冯丽玲【摘要】  【目的】 研究青蒿素生物合成基因在不同发育时期和不同组织中的表达规律,探讨青

2、蒿素生物合成的时空调节机制。【方法】 利用实时荧光定量PCR技术定量追踪分析青蒿素主要及协同合成途径基因在盛叶期、开花前、开花后不同的发育时期,以及在根、茎、叶、花不同组织中的表达模式。【结果】 各基因的表达水平在6月份时最低,随后开始上升,在8月份(开花前)达到高峰,与6月份比较，转录水平显著提高315倍(均P<001),其中青蒿素特异合成酶基因ADS和CYP71AV1上升幅度最大,为最低水平的12和15倍,9月份(开花后)则呈下降趋势。处于盛花期的青蒿在根、茎、叶、花各个组织中都能检测到青蒿素合成基因的表达,叶片中ADS基因mRNA水平较其他组织显著升高2倍左右(均P<001)

3、,显示组织表达特异性。【结论】青蒿素生物合成基因的发育表达模式与青蒿素的合成规律一致。ADS和CYP71AV1基因的表达在青蒿素生物合成过程中可能起关键作用。 【关键词】  青蒿素/生物合成;基因转录;基因表达青蒿素是1970年代由我国科学家根据古籍记载及民间验方首先从中药青蒿(Artemisia annua L.)中发现并率先应用的抗疟药,疟原虫至今尚未对其产生抗药性,为WHO所推荐使用的一线疟疾治疗药物。在青蒿中,青蒿素的生物合成以萜类化合物共同前体异戊烯基焦磷酸(IPP)为前体。IPP在法呢基焦磷酸合酶(FPS)的作用下生成法呢基焦磷酸(FPP),FPP经青蒿所特有的紫穗槐二烯

4、合酶(ADS)环化生成紫穗槐-4,11-二烯 1,然后细胞色素P450单加氧酶(CYP71AV1)催化紫穗槐-4,11-二烯经青蒿醇、青蒿醛生成青蒿酸2-3。其中青蒿醛可经青蒿醛11(13)双键还原酶(DBR2)催化生成双氢青蒿醛,后者再由CYP71AV1氧化生成双氢青蒿酸4。以上步骤已经经过实验证实,但从青蒿酸或/和双氢青蒿酸到青蒿素的过程仍停留在假说推演阶段。植物中存在着2条IPP合成途径5,即细胞质中经典的甲羟戊酸(MVA)途径和质体中的脱氧木酮糖-5-磷酸(DXP)途径。在许多植物中,这2条位于不同亚细胞空间的萜类合成途径并不是孤立的,而是存在协同效应6-8。Towler等9发现在青蒿

5、素生物合成中也存在类似的现象：青蒿可以利用2条途径的IPP来合成青蒿素,其中MVA途径为青蒿素主要合成途径,DXP途径为协同合成途径。尽管青蒿素化学全合成的技术问题早在1980年代就由我国科学家许杏祥等解决,但其合成路线繁琐,工艺复杂,成本高,不适合工业化生产。而利用微生物发酵生产青蒿素的研究至今仅培育出产青蒿素前体青蒿酸的酵母工程菌。目前,从青蒿中提取青蒿素仍然是青蒿素商品化生产的唯一方式,因此通过代谢途径工程来提高青蒿的青蒿素合成量就成为最有前景的可行方法。然而,至今关于青蒿素合成机理尤其是青蒿素合成基因表达调控的研究仍然是青蒿素生物合成研究的薄弱环节,这大大延缓了青蒿素代谢途径工程的研究

6、进展。本实验采用实时荧光定量PCR技术(RTFQPCR)分析了青蒿素合成基因在不同的发育阶段及组织中的表达规律,初步揭示了青蒿素合成基因表达的发育及组织特异调节机制,为进一步开展青蒿素高产代谢基因工程改良提供科学依据。现报道如下。1材料与方法11植物及样品采集青蒿(A. annua)种子(四川酉阳,华阳2号)3月下旬撒播在广州中医药大学药圃内。分别在青蒿盛叶期(6月和7月)、开花前(8月)及开花后(9月)中旬采集青蒿植株中部叶片,并在9月中旬开花后分别采集青蒿植株根、茎、叶及花作为样品(N=6)。所有样品均在液氮中保存备用。杨瑞仪等.青蒿素生物合成基因的转录谱分析第4期2010年第27卷广州中

7、医药大学学报12主要试剂与仪器质粒提取试剂盒、凝胶回收试剂盒、RNAprep pure植物总RNA提取试剂盒均为TIANGEN公司产品,RevertAidTM H Minus First Strand cDNA Synthesis Kit为Fermentas公司产品,SYBR Green Realtime PCR Master Mix为TOYOBO公司产品。SPXBG型光照培养箱购自上海博讯实业有限公司医疗设备厂,Ultrospec 3300 pro 紫外可见光分光光度计产自美国GE公司,定量PCR反应在美国应用生物系统公司ABI7300实时荧光定量PCR仪上进行。13定量PCR标准样品的建立

8、青蒿素生物合成各相关基因的质粒pMD18HMGR、pMD18FPS、 pET29aADS、pMD18CYP71AV1、pMD18CPR、pMD20DBR2、pMD18DXS、pMD18DXR以及内参基因actin的质粒pMD20actin均由本实验室构建。用相应的限制性内切酶将各质粒消化成线性DNA(pMD18HMGRHind;pMD18FPS、 pET29aADS、pMD18CYP71AV1、pMD18CPRBamH;pMD20DBR2、pMD18DXS、pMD18DXR、pMD20actinEcoR),回收纯化测定浓度后,按照公式：ncopies=浓度/分子量×6023×

9、;1023将各线性化的标准样品稀释成107、106、105、104、103、102 copies/L。定量PCR时加入25L梯度稀释的相应基因的标准样品绘制标准曲线。14总RNA提取及第一链cDNA合成取青蒿样品100mg,按照RNAprep pure植物总RNA提取试剂盒说明书提取总RNA。取1g 总RNA,按照RevertAidTM H Minus First Strand cDNA Synthesis Kit说明书进行逆转录反应,合成cDNA。16统计学方法采用SPSS115软件进行数据统计,用单因素方差分析(OneWay ANOVA)进行统计学显著性分析。表1定量PCR引物2结果21青

10、蒿素生物合成主要基因在不同发育时期的转录特性青蒿素生物主要合成途径(MVA途径)的关键酶基因包括IPP合成上游的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶基因(HMGR)以及下游的FPS、ADS、CYP71AV1、CPR、DBR-2基因。采用RTFQ-PCR方法检测了上述基因在青蒿盛叶期(6、7月)、临近开花前(8月)和开花后(9月)的转录模式,得到各基因的标准曲线方程及决定系数分别为：actinY=-3393095X+41201069,R2=0997841;HMGRY=-3476657X+39523457,R2=0997848;FPSY=-3389733X+35215302,R2=0997412;

11、ADSY=-3224546X+38216091,R2=0998369;CYP71AV1Y=-3476058X+38277225,R2=0996758;CPRY=-3476720X+38277225,R2=0998181;DBR2Y=-3847960X+44088917,R2=0998057。图1结果显示,HMGR、FPS、CYP71AV1的表达水平较低(相对转录水平为00202);ADS与CPR的表达属于中等水平(相对转录水平为0230);DBR-2的表达水平较高(相对转录水平为30100),为低水平表达组基因的10100倍。各基因的表达水平在6月份时最低,随后开始上升：其中HMGR、FPS、

12、ADS、CYP71AV1、CPR的转录水平在开花前(8月)达到高峰后,开花后(9月)则呈下降趋势(图1-a、b);DBR-2基因的转录水平到9月仍呈上升趋势(图1-b)。与转录水平最低的6月比较,各基因在转录高峰时的转录水平显著提高315倍(均P<001),其中青蒿素特异合成的关键酶基因ADS和CYP71AV1上升幅度最大,为最低水平的12和15倍。统计方法：单因素方差分析;P<001,与6月份转录水平比较图1青蒿素生物合成主要基因在不同发育时期的转录水平Figure 1Developmental expression patterns of artemisinin biosynt

13、hetic genes22青蒿素生物合成协同途径相关基因在不同发育时期的转录特性青蒿素生物合成同时也能利用质体DXP途径合成的IPP作为前体。因此,本文也同时采用RTFQ-PCR方法检测了DXP途径中IPP合成的关键酶基因DXS和DXR在青蒿青蒿不同发育阶段的表达模式,得到各基因的标准曲线方程及决定系数分别为：actinY=-3393095X+41201069,R2=0997841;DXSY=-3651419X+40314491,R2=0991474;DXRY=-3528084X+36050751,R2=0993824。图2结果显示,在不同的发育阶段, DXS和DXR的表达规律与青蒿素主要合成

14、途径基因的发育表达模式基本一致。相应的mRNA水平在6月份相对较低,7月后迅速提高,与6月份水平比较，8月基因表达水平显著升高56倍(均P<001),9月开花后开始回落。结果间接表明细胞质MVA途径及质体DXP途径可能共同参与青蒿素的生物合成。统计方法：单因素方差分析;P<001,与6月份转录水平比较图2青蒿素生物合成协同途径相关基因在不同发育时期的转录水平Figure 2Developmental expression patterns of artemisinin biosynthetic genes on the cooperative pathway23青蒿素生物合成基因的

15、组织特异性转录图3结果显示,在9月青蒿开花后采集根、茎、叶、花等组织检测青蒿素合成主要及协同途径的基因表达,发现处于盛花期的青蒿在根、茎、叶、花各个组织中都能检测到HMGR、FPS、ADS、CYP71AV1、CPR、DBR-2、DXS和DXR基因的表达。其中,HMGR、FPS、CYP71AV1、CPR、DBR-2、DXS和DXR基因在各组织的表达水平无显著差异,表明这些青蒿素合成基因的表达在转录水平无明显的组织特异性。但中水平表达组叶片中ADS基因mRNA水平较其他组织的水平显著升高2倍左右(均P<001),显示组织表达特异性。RTFQ-PCR各基因的标准曲线方程及决定系数分别为：actinY=-3939095X+41201069,R2=0997841;HMGRY=-3344985X+38589870,R2=0996925;FPSY=-3393294X+35677765,R2=0996712;ADSY=-3378548X+39118320,R2=0996767;CYP71AV1Y=-3457978X+37969635,R2=0997332;CPRY=-3479555X+38889797,R2=0999238;DBR-2