[发明专利]导致萜烯生物合成增强的1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶等位基因

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及与典型植物或细菌的1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶(DXS)蛋白质相比具有增强的DXS活性的新多肽。该多肽导致细胞中萜烯大量积累。

本发明还涉及表达该多肽的转基因植物、细菌或酵母，并且所述转基因植物、细菌或酵母与表达典型DXS基因的植物、细菌或酵母相比能够大大增强萜烯积累。

本发明还涉及通过培养表达该多肽的转基因植物、细菌或酵母来生产萜烯的方法。

最后，本发明涉及表达该多肽并且抵抗异恶草酮的转基因植物。

背景技术

类异戊二烯(也称为萜类或萜烯)被认为是天然存在的最大的天然产物家族，迄今已经鉴定到超过29000种的不同化合物。在化学上，其结构和复杂度上具有相当高的多样性。类异戊二烯涉及许多基本生物学功能，因此其对于所有生物体的正常生长和发育过程是必需的。例如，类异戊二烯包括真核生物膜稳定剂(固醇)、动物和植物激素(类固醇、类视黄醇、赤霉素和脱落酸)、光合作用色素(类胡萝卜素和叶绿素的叶绿醇侧链)和电子传递的载体(甲基萘醌、质体醌和泛醌)。

因此，类异戊二烯是一大组多种多样的具有相当大商业利益的复杂天然产物。现今主要从植物提取或化学合成类异戊二烯以用于作为药物(例如，紫杉醇、没药醇和青蒿素)、动物饲料补充剂和食物色素(多种类胡萝卜素，例如番茄红素和β-胡萝卜素)或调料和香料(例如，薄荷醇、藿香醇和圆柚酮)。

根据类异戊二烯含有的碳的数目将其分组，主要的感兴趣的组是单萜(C₁₀)、倍半萜(C₁₅)、二萜(C₂₀)和三萜(C₃₀)。

所有类异戊二烯通过共同的代谢前体异戊烯基二磷酸(isopentenyldiphosphate，IPP，C₅)合成。之前假设IPP仅由甲羟戊酸通过所谓的“甲羟戊酸途径”合成。但是最近研究表明，在真细菌(eubacteria)、绿藻和植物中，IPP还通过不同的途径合成，该途径被称为2-C-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸(2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate，MEP)途径。因此，植物具有甲羟戊酸和MEP两条途径，其分别负责细胞溶胶和质体中IPP的生物合成。

MEP途径的第一个中间物是1-脱氧木酮糖-5-磷酸(1-deoxyxylulose-5-phosphate，DXP)，其由甘油醛-3-磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate，G3P)和丙酮酸在硫胺素依赖性酶1-脱氧木酮糖-5-磷酸合酶(1-deoxyxylulose-5-phosphate synthase，DXS)的催化下生物合成。已经表明在细菌和植物中DXS催化类异戊二烯形成的限速步骤。实际上，在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和番茄(Lycopersicon esculentum)中，DXS的过表达导致质体来源的类异戊二烯(如类胡萝卜素)水平提高。在芳香植物如宽叶薰衣草(Lavandula latifolia)中也是这种情况，DXS的过表达导致精油产生的显著增加。

萜类包含在很多植物来源产物的香气和香料中，在这之中，单萜醇对于食用葡萄和葡萄酒的香味有极大贡献。描述为玫瑰或铃兰的花香涉及如香樟醇、香叶醇、橙花醇、α-松油醇或香茅醇等分子的存在。这些分子的最大浓度发现于“麝香葡萄(Muscat)”类的变种或琼瑶浆(Gewurztraminer)中，导致这些变种非常典型的芳香。与麝香葡萄类无关的基因型中自发出现了花香.

现有技术的不足

已在商业上对某些二萜进行了探索，特别是制药业。对于来源于紫杉烷类的二萜紫杉醇和多烯紫杉醇尤其如此，其用于治疗乳腺或卵巢癌。紫杉醇是从紫杉(Taxus sp.)中提取的天然分子，多烯紫杉醇是来源于紫杉醇前体的半合成分子，10-脱乙酰巴卡亭III(或10-DAB III)，也提取自紫杉。紫杉醇的大多数紫杉醇生物合成基因已经被描述。这些分子的生产相对昂贵，这是由于10-DAB III以及特别是紫杉醇(paclitaxel)在紫杉提取物中相对低的丰度以及由于分子结构复杂导致的缺乏可工业化按比例放大的合成方法。