项目文章 Plant J | 杭师大团队通过空间代谢组和空间蛋白组等技术揭示紫杉醇组织特异性积累的分子调控机制
2025-07-17
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紫杉醇是一种广泛用于治疗各种癌症的化疗药物，目前红豆杉茎是工业提取紫杉醇最重要的原料之一，但是关于不同茎组织部位和年龄对紫杉醇积累的影响仍然了解有限。
2025年4月，杭州师范大学生命与环境科学学院沈晨佳课题组在The Plant Journal杂志上发表题为“Role of an endodermis-specific miR858b-MYB1L module in the regulation of Taxol biosynthesis in Taxus mairei”的研究论文。该研究结合空间代谢组、空间蛋白组等技术证实了紫杉醇在红豆杉茎中的组织特异性积累，同时发现几种与紫杉醇生物合成途径相关的酶主要在内皮层中产生，阐明了内皮层特异性紫杉醇积累的分子机制。9297至尊品牌源于信誉荣幸参与了该研究中空间代谢组和空间蛋白组检测分析的相关工作。
研究材料
红豆杉茎
研究步骤
步骤1：空间代谢组发现紫杉醇在红豆杉茎中的组织特异性积累；
步骤2：空间蛋白组发现紫杉醇生物合成途径相关的酶；
步骤3：内皮层特异性紫杉醇积累的分子调控机制研究。
研究结果
1. 空间代谢组可视化紫杉烷类化合物
采集1年龄(0)和2年龄(T)的不同段的红豆杉茎进行空间代谢组分析，PCA将所有确定的MS特征分为与各种已知茎组织相关的五个主要成分（PCs）：木髓（PC1）、木质部（PC2）、木质部-内皮层（PC3）、表皮（PC4）和多组织（PC5）。同时发现代谢物在O茎的PC2 （1965 MS特征）和T茎的PC3 （1454 MS特征）中有积累的趋势（图1）。
图1 1年生(O)和2年生(T)红豆杉茎的质谱成像分析
MALDI-MSI分析共鉴定出7种不同的紫杉烷类物质，包括紫杉醇、三种参与紫杉醇生物合成的中间体和三种紫杉醇类似物。在O茎和T茎中，TAT的下游产物taxa-4(20),11(12)-dien-5a-yl acetate的分布规律相似。在O茎中观察到高浓度的10-DAB III、BAC和紫杉醇。具体来说，10-DAB III和BAC在O茎的PC1中显著积累，而紫杉醇在PC3中显著积累。关于紫杉醇类似物，在PC3中观察到10-deacetyl-7-xylosyl paclitaxel 和 10-deacetyl Taxol C的大量积累，而cephalomannine在PC1和PC2中积累。值得一提的是，对于大多数紫杉烷类来说，幼茎的紫杉烷类积累水平通常高于老茎（图2）。
图2 红豆杉茎中紫杉烷类积累的可视化研究
2. 空间蛋白组分析
作者采用激光捕获显微切割（LCM）技术结合DDA-MS/MS数据采集方式分析从每个茎样本中收集到的五个不同组织样本（标记为1到5），以研究不同年龄茎中紫杉烷类组织特异性积累的遗传机制。在各种茎样本中共鉴定出15046种肽，3145种蛋白质。除T-1外，每个样本中鉴定的蛋白质数量从1788（T3）到2819（O5）种不等。此外，发现T茎中大多数高表达的差异蛋白（DEPs）与O茎中的DEPs积聚在相同的位置（图3）。
图3 空间蛋白组分析
KEGG分析发现在O茎中，DEPs在淀粉和蔗糖代谢（O2/O3和O4/O5）、硫辛酸代谢（O4/O5）等几种基本代谢途径中显著富集。在T茎中，DEPs在单萜类生物合成（T4/T5）、类黄酮降解（T2/T3、T3/T4和T4/T5）、嘧啶代谢（T2/T3）、抗坏血酸和醛酸代谢（T3/T4）和谷胱甘肽代谢（T4/T5）等多种次生代谢途径中显著富集。发现DEPs在单萜类生物合成（T2/O2，T4/O4和T5/O5）中显著富集。此外，检测到10种甲基-D-赤藓糖醇磷酸盐（MEP）途径相关蛋白，其中大多数在O-3/T-3、O-3/T-4和O-3/T-5样品组中高度表达。同时检测到8种紫杉醇生物合成相关酶，包括T5OH1/2、TAT1/2、T2OH、T13OH、T10OH和BAPT。有趣的是，这 8 种与紫杉醇生物合成相关的酶在 O-4 样本组中均显著表达（图4）。
图4 不同茎样中差异蛋白分析
3. miRNA858b-MYB1L相互作用的预测和验证
利用单细胞转录组数据集，鉴定出18个具有组织特异性表达的MYB家族基因。细胞特异性表达分析显示，MYB1L （ctg5083_gene.1）在Cluster 12中特异性表达，与PC3组织对应，表明MYB1L是PC3特异性表达基因。与T茎相比，MYB1L在O茎中的表达量较高，表明MYB1L在幼茎中显著表达。作者进一步预测了一个miRNA-MYB调控网络，发现两个miRNA858家族（athmiR858b_1ss21GA和ath-miRNA858a_L-1R + 1）调控15个MYB家族TF基因。此外，MYB35编码基因（ctg649_gene；6, ctg1244_gene.15和ctg5439_gene.4)被发现受11个miRNAs调控。随后，作者证实了miR858b与MYB1L之间存在相互作用（图5）。
图5 内皮细胞特异性表达MYB1L及其上游调控因子miR858b的鉴定
4. 潜在MYB1L靶点和结合基序的分析
作者使用DAP-seq等技术进一步鉴定MYB1L及其潜在靶基因的全基因组结合位点。结果显示，大多数MYB1L靶峰位于基因间区域，平均6.1%的靶峰位于内含子区域，平均1.16%位于启动子区域。GO和KEGG分析深入了解MYB1L靶基因的生物学功能，GO富集分析显示，MYB1L的靶基因富集在“核酸代谢过程”、“细胞器组织”和“DNA代谢过程”，而KEGG则富集在“信号转导”、“翻译”和“细胞生长和死亡”通路上。对峰区基序的分析可以进一步预测MYB家族成员的潜在下游靶基因。基序富集分析表明，已知的MYB1L结合基序前五位是“AGGGTTTAGGGTTTA”（P=1e-3995）、“TAAACCT” （P=1e-1578）、“CTYTCTYTCTCTC”（P=1e-1265）、“TTAACCATAG”（P=1e-654）和“CKTCKTCTTY”（P=1e-545）。
图6 通过DAP-seq鉴定MYB1L结合区
5. MYB1L紫杉醇生物合成相关靶基因
通过搜索目标峰库后，确定了4个与紫杉醇生物合成相关的目标启动子，包括TBT、DBTNBT、T13OH和BAPT基因的启动子。基序分析表明，MYB1L识别DBTNBT和BAPT启动子中的基序5、TBT启动子的基序6和T13OH启动子的基序7，并通过实验确定MYB1L是直接与TBT、DBTNBT、T13OH和BAPT启动子中的基序序列结合。随后，作者评估MYB1L的转录活性，结果发现MYB1L显著增加了TBT和BAPT基因的表达，但对DBTNBT和T13OH基因表达的影响却不显著（图7）。研究结果预测了MYB1L在紫杉醇生物合成过程中的调节作用模型，并表明TBT和BAPT是MYB1L的下游靶基因（图8）。
图7 MYB1L参与紫杉醇生物合成的调控
图8 MYB1L在紫杉醇生物合成中的调控作用模型
总结
文章结合空间代谢组和空间蛋白质组等技术证实了紫杉醇在红豆杉茎中的组织特异性积累，特别是在幼茎中，同时发现紫杉醇生物合成相关酶主要定位于幼茎的内皮层。此外，MYB1L及其调节因子miR858b在内皮层特异性表达，表明miR858b-MYB1L模块在调节次级代谢方面具有潜在的功能。DAP-seq分析发现了MYB1L的许多潜在靶点，包括4个紫杉醇生物合成相关基因（TBT、DBTNBT、T13OH和BAPT）。数据显示，miR858b-MYB1L轴通过增强内皮层中TBT和BAPT基因的表达，在紫杉醇生物合成的转录调控中发挥了重要作用。
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