Structure and evolution of Alanine/Serine Decarboxylases and the engineering of theanine production

茶氨酸 脱羧 丙氨酸 化学 基质(水族馆) 生物化学 拟南芥 丝氨酸 生物合成 突变体 立体化学 氨基酸 生物 催化作用 生态学 食品科学 绿茶 基因
作者
Hao Wang,Biying Zhu,Siming Qiao,Chunxia Dong,Xiaochun Wan,Weimin Gong,Zhaoliang Zhang
标识
DOI:10.7554/elife.91046.1
摘要

Ethylamine (EA), the precursor of theanine biosynthesis, is synthesized from alanine decarboxylation by Alanine Decarboxylase (AlaDC) in tea plants. AlaDC evolves from Serine Decarboxylase (SerDC) through neofunctionalization and has lower catalytic activity. However, lacking structure information hinders the understanding of the evolution of substrate specificity and catalytic activity. In this study, we solved the X-ray crystal structures of AlaDC from Camellia sinensis (CsAlaDC) and SerDC from Arabidopsis thaliana (AtSerDC). Tyr341 of AtSerDC or the corresponding Tyr336 of CsAlaDC is essential for their enzymatic activity. Tyr111 of AtSerDC and the corresponding Phe106 of CsAlaDC determine their substrate specificity. Both CsAlaDC and AtSerDC have a distinctive zinc finger that contributes to the activity and has not been identified in any other Group II PLP-dependent amino acid decarboxylases. Based on the structure comparison and evolution analysis AlaDC or SerDC led us to perform mutation screen of CsAlaDC. The results indicated that the mutation of L110F or P114A in the CsAlaDC dimerization interface significantly improved the catalytic activity by 110% and 59%, respectively. Combining double mutant CsAlaDCL110F/P114A with theanine synthetase increased 672% of theanine production in an in vitro system. This study provides the structural basis for the substrate selectivity and catalytic activity of CsAlaDC and AtSerDC and sheds light on a new direction for the efficient industrial synthesis of theanine.
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