分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王勇研究組構(gòu)建綜合型的植物合成生物學(xué)元件庫
文章來源:分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間:2024-02-02 | 【打印】 【關(guān)閉】
2024年1月30日,中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王勇團隊在Plant Communications雜志在線發(fā)表了題為"An Integrative Database and Its Application for Plant Synthetic Biology Research"的論文,構(gòu)建了綜合型的植物合成生物學(xué)元件庫PSBD(https://www.bic.ac.cn/PSBD/front/#/)。該元件庫針對植物合成生物學(xué)研究的需求,收錄整合了1677個催化元件、384個調(diào)控元件、309個物種信息及850個化合物信息,并提供BLAST、化合物相似性分析、催化元件系統(tǒng)發(fā)育分析和調(diào)控元件強度可視化等在線工具,可用于植物底盤中的遺傳電路設(shè)計、代謝通路設(shè)計及基因精細定量調(diào)控設(shè)計等。
生物元件是合成生物學(xué)研究中最簡單、最基本的生物積塊,通常是具有特定功能的核苷酸序列或氨基酸序列,如調(diào)控元件(操縱子、啟動子、增強子、轉(zhuǎn)錄因子等)、外顯子和蛋白質(zhì)編碼開放閱讀框等。生物元件的設(shè)計和組裝,是合成生物學(xué)設(shè)計與構(gòu)建的基石。近年來隨著合成生物學(xué)研究的深入發(fā)展,從簡單的單細胞系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜的多細胞體系,植物合成生物學(xué)研究逐漸成為熱點。植物底盤的多樣化及其生長發(fā)育、代謝調(diào)控等性狀的復(fù)雜性,使其有別于單細胞微生物體系。盡管組學(xué)研究揭示了植物基因組中蘊含的大量潛在元件資源,但是這些序列缺乏必要的實驗表征,且未能進行標(biāo)準(zhǔn)化組裝,很難滿足合成生物學(xué)設(shè)計與構(gòu)建的需求。迄今為止還鮮有專門針對植物底盤的合成生物學(xué)規(guī)?;臁?/span>
該工作所建立的植物合成生物學(xué)元件庫包含了“催化元件”“物種”“分子”“調(diào)控元件”和“組學(xué)”五類數(shù)據(jù)信息(圖1,A)。在PSBD中,任何一個元件、物種、分子的信息都可被視為一個數(shù)據(jù)節(jié)點,針對所有的數(shù)據(jù)節(jié)點都設(shè)置了相應(yīng)的鏈接,使得它們形成一個網(wǎng)絡(luò)(圖1,B)。希望通過這種網(wǎng)絡(luò)化的知識體系使得用戶在選擇自己合適的元件的過程中獲得便利。在五大數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上,按照元件特性進一步進行了分類(圖1,C)。1677個催化元件按照其表征的功能可以分為19類,包括602個細胞色素P450,572個萜類合酶,392個UDP依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶,18個氧化還原酶等;按照代謝途徑進行分類的話,867個催化元件涉及萜類途徑,99個涉及類黃酮途徑,112個涉及生物堿途徑,56個涉及苯丙素途徑。調(diào)控元件也根據(jù)其功能分為21類,包括112個轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域,114個啟動子,19個DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域,15個終止子,14個操縱子,8個5’UTR等。組學(xué)數(shù)據(jù)中包含了不同植物中的編碼序列(CDS)及預(yù)測獲得的功能序列,有助于挖掘更多潛在的植物元件。
除了元件數(shù)據(jù)外,PSBD還提供了4種分析工具。“BLAST”可用于在PSBD庫中搜索同源基因或蛋白序列;“Phylogenetic Analysis”可用于分析目標(biāo)序列與庫中對應(yīng)家族的催化元件的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系關(guān)系;“Chem Similarity”有助于搜索庫中相似的分子及其相關(guān)的催化元件;“Visual Strength”統(tǒng)一將啟動子與終止子的元件強度進行了梯度分類,用戶可以按照表達盒的強度選擇合適的調(diào)控元件。
對功能明確表征過的催化元件進行整合有助于預(yù)測一些感興趣的基因的功能(圖2,A)。論文中對新發(fā)現(xiàn)的TcTS2進行了BLAST分析和系統(tǒng)發(fā)育分析,結(jié)果顯示TcTS2屬于I型diTPS亞家族(圖2,B)。其功能驗證結(jié)果也證實了TcTS2能夠催化紫杉二烯的合成,與TbreTS(PSBD_GENE000703)的功能完全相同。隨后通過選擇具有不同強度的調(diào)控元件,可以實現(xiàn)紫杉二烯在本氏煙草中的梯度合成,最高可達21.37±13.03 μg/g鮮重(圖2,C)。這也證實了PSBD在預(yù)測元件功能和定量調(diào)控基因表達上的潛力。
“all in one”是PSBD的一大特色,綜合型的元件資源對合成元件和遺傳電路的設(shè)計、改造和優(yōu)化提供了便利?;?/span>PSBD中的調(diào)控元件構(gòu)建出的轉(zhuǎn)錄信號變壓器(transcriptional signal transformer,TST)能夠?qū)⑤斎胄盘栟D(zhuǎn)化為不同的輸出強度(圖3)?;?/span>VPR-TST表達的EGFP強度最高可以達到庫中最強天然啟動子P_StUbi的2.6倍。黃病毒非結(jié)構(gòu)蛋白1(NS1)在本氏煙草葉片中的表達分析也證明了TST系統(tǒng)的普適性。該元件庫的建立及后續(xù)的進一步充實將大大推進基于植物底盤的合成生物學(xué)相關(guān)研究。
中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王勇研究員和孫雨偉副研究員為該論文的通訊作者,田晨菲博士為論文第一作者,李建華、吳宇函、王光義、張翼鑫等人參與了該項研究。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、上海市學(xué)術(shù)帶頭人計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)項目及植物分子遺傳國家重點實驗室的資助。
論文鏈接:https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(24)00047-6

圖1 (A)PSBD的內(nèi)容框架(B)PSBD元件的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖(C)物種、催化元件、調(diào)控元件、分子和組學(xué)數(shù)據(jù)的分類信息

圖2 (A)CaseⅠ中PSBD的應(yīng)用流程圖(B)TcTS2與PSBD內(nèi)TPS家族蛋白的進化關(guān)系分析(C)調(diào)控元件控制本氏煙草葉片中紫杉二烯的產(chǎn)量

圖3 轉(zhuǎn)錄信號變壓器(transcriptional signal transformer,TST)
