2024年1月30日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王勇團(tuán)隊(duì)在Plant Communications雜志在線發(fā)表了題為"An Integrative Database and Its Application for Plant Synthetic Biology Research"的論文，構(gòu)建了綜合型的植物合成生物學(xué)元件庫PSBD（https://www.bic.ac.cn/PSBD/front/#/）。該元件庫針對(duì)植物合成生物學(xué)研究的需求，收錄整合了1677個(gè)催化元件、384個(gè)調(diào)控元件、309個(gè)物種信息及850個(gè)化合物信息，并提供BLAST、化合物相似性分析、催化元件系統(tǒng)發(fā)育分析和調(diào)控元件強(qiáng)度可視化等在線工具，可用于植物底盤中的遺傳電路設(shè)計(jì)、代謝通路設(shè)計(jì)及基因精細(xì)定量調(diào)控設(shè)計(jì)等。

生物元件是合成生物學(xué)研究中最簡(jiǎn)單、最基本的生物積塊，通常是具有特定功能的核苷酸序列或氨基酸序列，如調(diào)控元件（操縱子、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、轉(zhuǎn)錄因子等）、外顯子和蛋白質(zhì)編碼開放閱讀框等。生物元件的設(shè)計(jì)和組裝，是合成生物學(xué)設(shè)計(jì)與構(gòu)建的基石。近年來隨著合成生物學(xué)研究的深入發(fā)展，從簡(jiǎn)單的單細(xì)胞系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜的多細(xì)胞體系，植物合成生物學(xué)研究逐漸成為熱點(diǎn)。植物底盤的多樣化及其生長(zhǎng)發(fā)育、代謝調(diào)控等性狀的復(fù)雜性，使其有別于單細(xì)胞微生物體系。盡管組學(xué)研究揭示了植物基因組中蘊(yùn)含的大量潛在元件資源，但是這些序列缺乏必要的實(shí)驗(yàn)表征，且未能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化組裝，很難滿足合成生物學(xué)設(shè)計(jì)與構(gòu)建的需求。迄今為止還鮮有專門針對(duì)植物底盤的合成生物學(xué)規(guī)?；臁?/span>

該工作所建立的植物合成生物學(xué)元件庫包含了“催化元件”“物種”“分子”“調(diào)控元件”和“組學(xué)”五類數(shù)據(jù)信息（圖1，A）。在PSBD中，任何一個(gè)元件、物種、分子的信息都可被視為一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，針對(duì)所有的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置了相應(yīng)的鏈接，使得它們形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（圖1，B）。希望通過這種網(wǎng)絡(luò)化的知識(shí)體系使得用戶在選擇自己合適的元件的過程中獲得便利。在五大數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上，按照元件特性進(jìn)一步進(jìn)行了分類（圖1，C）。1677個(gè)催化元件按照其表征的功能可以分為19類，包括602個(gè)細(xì)胞色素P450，572個(gè)萜類合酶，392個(gè)UDP依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶，18個(gè)氧化還原酶等；按照代謝途徑進(jìn)行分類的話，867個(gè)催化元件涉及萜類途徑，99個(gè)涉及類黃酮途徑，112個(gè)涉及生物堿途徑，56個(gè)涉及苯丙素途徑。調(diào)控元件也根據(jù)其功能分為21類，包括112個(gè)轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，114個(gè)啟動(dòng)子，19個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，15個(gè)終止子，14個(gè)操縱子，8個(gè)5’UTR等。組學(xué)數(shù)據(jù)中包含了不同植物中的編碼序列（CDS）及預(yù)測(cè)獲得的功能序列，有助于挖掘更多潛在的植物元件。

除了元件數(shù)據(jù)外，PSBD還提供了4種分析工具。“BLAST”可用于在PSBD庫中搜索同源基因或蛋白序列；“Phylogenetic Analysis”可用于分析目標(biāo)序列與庫中對(duì)應(yīng)家族的催化元件的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系關(guān)系；“Chem Similarity”有助于搜索庫中相似的分子及其相關(guān)的催化元件；“Visual Strength”統(tǒng)一將啟動(dòng)子與終止子的元件強(qiáng)度進(jìn)行了梯度分類，用戶可以按照表達(dá)盒的強(qiáng)度選擇合適的調(diào)控元件。

對(duì)功能明確表征過的催化元件進(jìn)行整合有助于預(yù)測(cè)一些感興趣的基因的功能（圖2，A）。論文中對(duì)新發(fā)現(xiàn)的TcTS2進(jìn)行了BLAST分析和系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果顯示TcTS2屬于I型diTPS亞家族（圖2，B）。其功能驗(yàn)證結(jié)果也證實(shí)了TcTS2能夠催化紫杉二烯的合成，與TbreTS（PSBD_GENE000703）的功能完全相同。隨后通過選擇具有不同強(qiáng)度的調(diào)控元件，可以實(shí)現(xiàn)紫杉二烯在本氏煙草中的梯度合成，最高可達(dá)21.37±13.03 μg/g鮮重（圖2，C）。這也證實(shí)了PSBD在預(yù)測(cè)元件功能和定量調(diào)控基因表達(dá)上的潛力。

“all in one”是PSBD的一大特色，綜合型的元件資源對(duì)合成元件和遺傳電路的設(shè)計(jì)、改造和優(yōu)化提供了便利。基于PSBD中的調(diào)控元件構(gòu)建出的轉(zhuǎn)錄信號(hào)變壓器（transcriptional signal transformer，TST）能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)化為不同的輸出強(qiáng)度（圖3）?；?/span>VPR-TST表達(dá)的EGFP強(qiáng)度最高可以達(dá)到庫中最強(qiáng)天然啟動(dòng)子P_StUbi的2.6倍。黃病毒非結(jié)構(gòu)蛋白1（NS1）在本氏煙草葉片中的表達(dá)分析也證明了TST系統(tǒng)的普適性。該元件庫的建立及后續(xù)的進(jìn)一步充實(shí)將大大推進(jìn)基于植物底盤的合成生物學(xué)相關(guān)研究。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王勇研究員和孫雨偉副研究員為該論文的通訊作者，田晨菲博士為論文第一作者，李建華、吳宇函、王光義、張翼鑫等人參與了該項(xiàng)研究。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目及植物分子遺傳國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

論文鏈接：https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(24)00047-6

圖1 （A）PSBD的內(nèi)容框架（B）PSBD元件的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖（C）物種、催化元件、調(diào)控元件、分子和組學(xué)數(shù)據(jù)的分類信息

圖2 （A）CaseⅠ中PSBD的應(yīng)用流程圖（B）TcTS2與PSBD內(nèi)TPS家族蛋白的進(jìn)化關(guān)系分析（C）調(diào)控元件控制本氏煙草葉片中紫杉二烯的產(chǎn)量

圖3 轉(zhuǎn)錄信號(hào)變壓器（transcriptional signal transformer，TST）