深圳先進院建立高效解析植物糖基轉移酶功能的方法

　　近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員趙喬團隊于Molecular Plant在線發表了題為Glycosides-specific metabolomics combined with precursor isotopic labeling for characterizating plant glycosyltransferases的研究論文。該研究建立了一種特異針對糖基化合物的代謝組（glycosides-specific metabolomics，GSM）和同位素標記前體化合物示蹤（precursor isotopic labeling，PIL）相結合的方法，可以高效、準確鑒定糖基轉移酶（glycosyltransferases，GTs）在植物體內的產物，解析GTs在特定代謝通路中的作用。該方法縮小了目標化合物的范圍，在糖基化合物定性、方法可靠性方面較傳統生化手段或非靶向方法有較大提升，為植物糖基轉移酶的功能解析提供了新手段。 

　　植物中含有豐富的次級代謝產物，種類超過40萬種。糖基化是一種常見的修飾方式，賦予化合物復雜且多樣的結構，形成種類繁多的糖基化產物。糖基化修飾可以改變相應苷元的催化活性、溶解性、穩定性及其在細胞中的定位，在調節激素的穩態平衡、外源有害物質解毒、抵御生物和非生物脅迫中都發揮著重要作用。同時，糖基化修飾可以改變天然產物的藥理活性和生物利用率等性質，這些糖苷類化合物是天然藥物的重要來源。植物UGTs（UDP糖基轉移酶）以多基因家族的形式存在，它們能夠利用不同的糖基供體，糖基化多種多樣的植物小分子化合物。目前的研究多數集中在生化功能的確定上，UGTs具有底物雜泛性和催化雜泛性，同一個UGT在體外可以催化結構不同的底物，且不同的UGTs可以識別同一種底物。此外，由于植物體內的底物可得性和特殊且復雜多變的細胞環境，這些通過生化方法對UGTs活性、生理功能等的研究結果往往不能反映UGTs在植物體內的真實功能。 

　　針對上述問題，研究人員建立了針對糖基化合物的代謝組分析方法。以解析UGT72E家族功能為例，傳統生化和分子遺傳手段證實，UGT72Es可以催化兩種木質素單體的糖基化，非靶向代謝組學分析UGT72Es缺失突變體顯示植物體內受到UGT72Es影響的化合物超過1000種，而GSM分析方法則將目標化合物的范圍縮小了10倍至100個。對于UGTs的底物雜泛性，研究人員建立了PIL方法，關注UGT72E在特定的苯丙氨酸代謝通路中的作用，將UGT72Es的目標產物范圍縮小至22個。通過GSM-PIL方法，該研究不但鑒定到了已發表的兩種木質素單體糖基化產物，還發現UGT72E家族參與植物苯丙烷通路中其他15種化合物的糖基修飾作用。研究人員進一步通過UGT72Es的體外酶活分析、植物內源基因過表達以及遺傳互補等實驗證實UGT72Es對這些化合物的糖基化作用，驗證了GSM-PIL方法的可靠性。該研究還發現了UGT72Es在植物體內對香豆素的糖基化作用，進而在植物堿性缺鐵脅迫環境下發揮重要作用。此外，研究人員通過UGT78D2的功能解析，展示了GSM-PIL方法的普遍適用性。 

　　GSM-PIL方法可以高效解析UGTs在植物體內的功能。相對于傳統一對一“釣魚”式地探索UGTs功能，GSM-PIL方法可以“捕魚”式地一網打盡UGTs的產物，全面鑒定未知的底物或糖基化產物，解析UGTs在植物中未知的生理功能，揭示植物中的糖基化網絡比人們想象中更復雜。 

　　相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省合成基因組學重點實驗室及深圳合成生物學創新研究院等的支持。