Nature Communications | EPS1酶在十字花科植物水杨酸生物合成中的作用及催化机制

学术   2024-12-16 10:25   湖北  


水杨酸(SA)是一种植物激素,它在植物对病原体的防御反应中起着关键作用。在高等植物中,SA对于病原体暴露后的局部和长距离防御反应至关重要。除了防御功能外,SA还在光合作用、离子吸收和运输以及生长调节中发挥辅助作用。尽管SA在防御信号中的重要性和化学结构简单性已被广泛认识,但在植物界中SA生物合成途径的全貌仍未被完全探索。


近日,来自怀特海德生物医学研究所的Jing-Ke Weng团队在Nature communications发表研究成果“Mechanistic basis for the emergence of EPS1 as a catalyst in salicylic acid biosynthesis of Brassicaceae”,该研究

通过晶体结构分析、异源酵母表达、转基因稳定表达等方式,揭示了AtEPS1的晶体结构和催化机制,通过转基因表达AtEPS1,可以在大豆等非十字花科植物中增强SA的生产效率,从而可能增强这些植物的防御反应。


图1 EPS1的代谢功能和进化起源。



首先作者研究ENHANCED PSEUDOMONAS SUSCEPTIBILTY 1(EPS1)的代谢功能和进化起源。a图展示了十字花科植物中水杨酸生物合成的路径,水杨酸是一种重要的植物激素,涉及植物的抗病反应,EPS1是十字花科植物中水杨酸生物合成途径中的关键酶,特别是在从异氯酸盐合成水杨酸的过程中起到了加速作用。b图通过系统发育树展示了EPS1类群与其他相关酶类群的关系。c图通过分类学的角度展示了不同十字花科植物中这些酶类群的分布情况。d图描述了EPS1基因及其同源基因在拟南芥和其近缘物种中的位置关系。Fig.1表明,EPS1类群在十字花科植物中具有严格的保守性,起源于一个HXXXD型酰基转移酶家族的共同祖先。这个祖先基因在十字花科植物的共同祖先中发生了原位复制,产生了EPS1类群和EPS1姊妹类群两个衍生拷贝。EPS1类群获得了异构色氨酸-谷氨酸吡啶酰-谷氨酸裂解酶(IPGL)活性,而EPS1姊妹类群基因在拟南芥和大多数其他十字花科植物中丢失。

图2 拟南芥中EPS1的结构特征。



其次,作者研究了拟南芥中EPS1的结构特征。a图展示了AtEPS1与CAG配体结合的结构。N端和C端结构域通过一个大的交叉环连接,活性位点位于两个域的界面处。b图显示了EPS1配体(CAG)和天然底物(IGA)的结构,强调了它们在活性位点的结合方式。c图将CAG结合的AtEPS1与p-香豆酰基-奎尼酸结合的AtHCT结构进行叠加,展示了AtEPS1中几个体积较大的残基填充了传统BAHD酰基转移酶的酰基供体位点。d图比较了CAG结合的AtEPS1和apo结构,揭示了动态环的构象变化,这些变化可能与EPS1的选择性底物结合有关。Fig.2表明AtEPS1通过其独特的活性位点结构和动态环的构象变化,展示了其对底物选择性的适应性,这可能有助于其催化机制。


图3 EPS1的催化机制。



接下来作者研究了EPS1的催化机制。a图展示了EPS1活性位点中IGA(黄色)和CAG(绿色)的结合姿态。结果表明,IGA和CAG在EPS1中的结合位置几乎相同。b图比较了IGA在水中和在EPS1结合时的结构差异。结果显示,IGA在EPS1中的d2距离(醚氧和酰胺氢之间的距离)显著减少,支持了之前提出的非酶促E1消除机制。c图模拟了EPS1结合其产物SA和N-丙酮酰基-L-谷氨酸(NPG)时的情况,显示了SA环的翻转和NPG的位移,表明EPS1可能通过施加不利约束促进IGA分解。d图提出了EPS1催化的周环反应机制,其中C2的氢原子同时转移到侧链的C9,伴随着C-O键的断裂。Fig.3表明,EPS1通过稳定有利的构象,催化了IGA的分解,生成SA和NPG。

图4 各种转基因酵母系中的相对SA途径代谢物积累。



接着作者研究了在不同转基因酵母株系中,各种AtEPS1突变体的相对SA途径代谢物积累情况。a图显示了在不同转基因酵母株系中异胆苷酸衍生物(IGA)的相对积累水平。在共表达SID2和PBS3的酵母中,添加AtEPS1导致IGA水平显著降低超过十倍,表明AtEPS1在水杨酸生物合成途径中催化了IGA的消耗。b图显示了SA的相对积累水平。结果表明,在共表达SID2和PBS3的酵母中,添加AtEPS1导致SA产量增加了七倍。c图显示了NPG(N-丙酮酰基-L-谷氨酸)的相对积累水平,结果与SA积累类似,添加AtEPS1的酵母株系中,NPG水平显著增加。d图显示了AtEPS1突变体在异源酵母系统中相对于野生型的IGA消耗情况。结果表明, AtEPS1的特定活性位点残基(如Arg44, Asp164, Thr306, Arg395)在其IPGL活性中起关键作用,突变这些残基会显著影响EPS1的功能。

 

图5 AtEPSl在大豆中的过表达导致SA的异位积累和与SA水平相关的生长发育不良表型。



最后,作者在转基因大豆中过表达AtEPS1(大豆中没有EPS1的同源基因),研究AtEPS1在大豆中的功能。结果表明,在大豆中异源表达AtEPS1,导致SA过量积累,使大豆生长受阻。这种现象表明EPS1基因在植物体内提高水杨酸生产效率方面具有重要的功能和进化意义。



总结:在本次研究中,作者在十字花科植物中发现一种BAHD酰基转移酶家族酶EPS1,能够加速SA的生物合成。通过晶体结构和分子动力学模拟,研究提出EPS1通过周环重排裂解机制催化SA的生成。最后进行功能验证,在酵母中重建了SA生物合成途径,并通过转基因大豆实验验证了EPS1的功能,显示其能提高非十字花科植物的SA水平。


原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54437-1


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