2024年1月10日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成基因组学中心赵乔团队在国际权威学术期刊Science Advances发表了题为The cytosolic aminotransferase VAS1 coordinates aromatic amino acid biosynthesis and metabolism的研究论文。该工作揭示了拟南芥中的氨基转移酶VAS1参与芳香族氨基酸的合成与代谢，从而维持植物氨基酸稳态。
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原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk0738
芳香族氨基酸不仅是蛋白质组成的基本氨基酸，也是很多次生代谢物的前体。芳香族代谢物在植物生长发育，逆境胁迫响应等方面起重要作用，同时在医药和人类营养健康方面也被广泛应用。芳香族氨基酸的合成与代谢是一个复杂的网络结构，植物如何调控芳香族氨基酸的合成与代谢，维持芳香族氨基酸的平衡，并不完全清晰。
基于以上背景，赵乔团队利用一个拟南芥芳香族氨基酸合成降低的突变体进行正向遗传学的筛选，得到了多个该突变体的表型恢复植株。进一步通过测序得到基因信息，发现了多个可能参与拟南芥芳香族氨基酸合成、代谢及调控的新基因。研究团队对其中一个基因进行了解析。该基因编码氨基转移酶VAS1（REVERSAL OF SAV3 PHENOTYPE 1）。VAS1在adh2中的功能缺失突变部分恢复了adh2的植物表型以及芳香族氨基酸合成下降的性状（图1），说明VAS1需要消耗氨基酸。
图1 VAS1缺失突变回复氨基酸合成缺陷突变体adh2的表型
通过对vas1基因缺失突变体的非靶代谢组分析，鉴定了VAS1的产物为3-羧基苯丙氨酸和3-羧基酪氨酸。研究发现，VAS1可以利用苯丙氨酸，色氨酸和酪氨酸这三种芳香族氨基酸作为氨基供体，来合成一类新的代谢物—3-羧基苯丙氨酸/酪氨酸（图2）。芳香族氨基酸合成通路在叶绿体，而VAS1催化的3-羧基芳香族氨基酸的合成反应发生在细胞质中。团队通过同位素标记实验证实，3-羧基芳香族氨基酸并不来源于芳香族氨基酸苯环上的直接修饰。遗传学证据表明，VAS1的前体合成来自于细胞质中的异分支酸途径（图2）。VAS1除了可以消耗氨基酸以外，还可以利用苯丙酮酸、4-羟基苯丙酮酸和3-吲哚丙酮酸为底物，在细胞质中生成苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸（图2）；而3-羧基苯丙氨酸可以抑制该反应，从而达到对氨基酸含量精确调控。
图2 芳香族氨基酸和3-羧基芳香族氨基酸的合成
此外，团队通过对来自细菌、藻类、苔藓类、石松类、蕨类、单子叶以及双子叶等30多种植物中的代谢成分进行分析，发现3-羧基芳香族氨基酸的合成通路只存在于特定的高等物种中（图3）。说明植物在长期的进化过程中，逐渐形成了自己独特的代谢体系，以应对外界环境的变化。以上工作阐明了芳香族氨基酸作为氨基供体的全新代谢方式，证实在拟南芥中有一类以3-羧基苯丙氨酸为骨架的天然产物。该研究解析了植物维持芳香族氨基酸内稳态的分子机制，同时也为3-羧基芳香族氨基酸为骨架的天然产物异源合成打下基础。
图3 3-羧基芳香族氨基酸存在于特定物种中
中国科学院深圳先进技术研究院赵乔研究员为文章的通讯作者，其团队助理研究员吴杰和已毕业博士生陈艳红为文章的共同第一作者，中国农业大学朱文涛副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省合成基因组学重点实验室、深圳合成生物学创新研究院等的支持。
赵乔实验室简介
赵乔研究员，中国科学院深圳先进技术研究院合成基因组学研究中心主任，国家重大人才工程（青年）专家，国家优秀青年科学基金获得者，广东省合成基因组学重点实验室主任。2021,2023年入选全球前2%顶尖科学家（美国斯坦福大学与爱思唯尔数据库（Elsevier）联合发布）。主要从事在植物代谢，植物合成生物学。目前在研方向：（1）植物代谢及相关应用（生物传感器，彩色棉花等）；（2）植物染色体的人工合成与应用；（3）基于机器学习的高通量代谢通路解析。已在相关领域取得了一系列重要的成果，近5年通讯作者（含共同）发表10多篇研究论文。文章发表在包括Science Advances、Molecular Plant、Nature Communications等国际专业期刊上。详见实验室主页：http://www.zhaoqiaolab.org/。
课题组招聘
赵乔课题组拟招聘具有药用植物学、分析化学、分子生物学等相关研究背景博士后；以及生物、药用植物学等相关专业科研助理。拟招聘研究方向：（1）植物天然产物通路解析；（2）农作物合成微生物菌群；（3）纳米材料在农作物中的应用；（4）植物人工染色体合成与应用。有意申请者请将个人简历（要求为PDF）以发送至qiao.zhao@siat.ac.cn，简历及邮件标题注明“应聘岗位-学校名称-专业-姓名”。详情可见https://isynbio.siat.ac.cn/view.php?id=824。