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Discovery and engineering of colchicine alkaloid biosynthesis

生物合成 对流层酮 秋水仙碱 烟草 生物化学 代谢途径 代谢工程 氨基酸 基因 化学 生物 遗传学
作者
Ryan S. Nett,Warren Lau,Elizabeth S. Sattely
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:584 (7819): 148-153 被引量:186
标识
DOI:10.1038/s41586-020-2546-8
摘要

Few complete pathways have been established for the biosynthesis of medicinal compounds from plants. Accordingly, many plant-derived therapeutics are isolated directly from medicinal plants or plant cell culture1. A lead example is colchicine, a US Food and Drug Administration (FDA)-approved treatment for inflammatory disorders that is sourced from Colchicum and Gloriosa species2–5. Here we use a combination of transcriptomics, metabolic logic and pathway reconstitution to elucidate a near-complete biosynthetic pathway to colchicine without prior knowledge of biosynthetic genes, a sequenced genome or genetic tools in the native host. We uncovered eight genes from Gloriosa superba for the biosynthesis of N-formyldemecolcine, a colchicine precursor that contains the characteristic tropolone ring and pharmacophore of colchicine6. Notably, we identified a non-canonical cytochrome P450 that catalyses the remarkable ring expansion reaction that is required to produce the distinct carbon scaffold of colchicine. We further used the newly identified genes to engineer a biosynthetic pathway (comprising 16 enzymes in total) to N-formyldemecolcine in Nicotiana benthamiana starting from the amino acids phenylalanine and tyrosine. This study establishes a metabolic route to tropolone-containing colchicine alkaloids and provides insights into the unique chemistry that plants use to generate complex, bioactive metabolites from simple amino acids. Discovery of a near-complete colchicine biosynthetic pathway enables the engineered production of the tropolone-containing alkaloid N-formyldemecolcine from amino acid precursors in Nicotiana benthamiana.
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