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Evolving dual-trait EPSP synthase variants using a synthetic yeast selection system.
Proc Natl Acad Sci U S A · 2024 · 121:e2317027121 · PMID 39159366 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로
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효소 5-엔올피루빌시키미테이트-3-인산 합성효소(EPSPS)는 모든 식물 종에서 방향족 아미노산 및 기타 필수 이차 대사 산물의 전구체 생성을 담당하는 시키미테이트 경로에서 기능을 수행한다. EPSPS는 또한 제초제 글리포세이트의 분자 표적이다. 일부 식물 EPSPS 변이체가 감소된 글리포세이트 민감성으로 특성화되었고 생명공학에 사용되어 왔으나, 글리포세이트 불감성은 일반적으로 촉매 효율성에 비용을 수반한다. 따라서 높은 촉매 효율성과 높은 글리포세이트 내성을 모두 유지하는 추가적인 EPSPS 변이체를 생성할 필요성이 존재한다. 본 연구에서는 이러한 두 가지 특성을 가진 이종 EPSP 합성효소를 신속하게 연구하고 진화시키기 위해 합성 효모 시스템을 구축하였다. 알려진 EPSPS 변이체를 사용하여, 먼저 우리의 합성 효모 시스템이 다양한 수준의 글리포세이트에서 자란 식물에서 관찰되는 성장 특성을 재현할 수 있음을 검증하였다. 다음으로, 뚜렷한 표현형 특성을 가진 돌연변이 라이브러리의 변이체들이 적용된 선택 기준에 따라 분리될 수 있음을 입증하였다. 강력한 이중 특성 선택 압력을 가함으로써, 단 한 번의 진화 라운드만으로도 견고한 글리포세이트 내성($K_i$가 거의 1 mM)과 출발점 대비 향상된 효소 효율성(~2.5배)을 나타내는 주목할 만한 EPSPS 돌연변이를 확인하였다. 마지막으로, 우리는 옥수수 EPSPS와 가장 우수한 결과를 보인 돌연변이들의 결정 구조를 보여주었으며, 특정 돌연변이들이 T102I 및 P106S(TIPS로 표기)와 같은 이전에 보고된 글리포세이트 내성 EPSPS 돌연변이보다 전 식물 테스트에서 우수한 성능을 보일 잠재력이 있음을 입증하였다. 종합적으로, 이 플랫폼은 글리포세이트 내성과 효소 효율성 사이의 상충 관계를 탐색하는 데 도움을 준다.
ORIGINAL ABSTRACT
The enzyme 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) functions in the shikimate pathway which is responsible for the production of aromatic amino acids and precursors of other essential secondary metabolites in all plant species. EPSPS is also the molecular target of the herbicide glyphosate. While some plant EPSPS variants have been characterized with reduced glyphosate sensitivity and have been used in biotechnology, the glyphosate insensitivity typically comes with a cost to catalytic efficiency. Thus, there exists a need to generate additional EPSPS variants that maintain both high catalytic efficiency and high glyphosate tolerance. Here, we create a synthetic yeast system to rapidly study and evolve heterologous EPSP synthases for these dual traits. Using known EPSPS variants, we first validate that our synthetic yeast system is capable of recapitulating growth characteristics observed in plants grown in varying levels of glyphosate. Next, we demonstrate that variants from mutagenesis libraries with distinct phenotypic traits can be isolated depending on the selection criteria applied. By applying strong dual-trait selection pressure, we identify a notable EPSPS mutant after just a single round of evolution that displays robust glyphosate tolerance (Ki of nearly 1 mM) and improved enzymatic efficiency over the starting point (~2.5 fold). Finally, we show the crystal structure of corn EPSPS and the top resulting mutants and demonstrate that certain mutants have the potential to outperform previously reported glyphosate-resistant EPSPS mutants, such as T102I and P106S (denoted as TIPS), in whole-plant testing. Altogether, this platform helps explore the trade-off between glyphosate resistance and enzymatic efficiency.
저자Reed, K. B.; Kim, W.; Lu, H.; Larue, C. T.; Guo, S.; Brooks, S. M.; Montez, M. R.; Wagner, J. M.; Zhang, Y. J.; Alper, H. S.
저널Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
권·호·쪽121(35), e2317027121
PMID39159366
DOI10.1101/2022.01.02.474499
MeSH3-Phosphoshikimate 1-Carboxyvinyltransferase; Glyphosate; Glycine; Saccharomyces cerevisiae; Herbicides; Plant Proteins; Herbicide Resistance
APA 7판
Reed, K. B., Kim, W., Lu, H., Larue, C. T., Guo, S., Brooks, S. M., Montez, M. R., Wagner, J. M., Zhang, Y. J., & Alper, H. S. (2024). Evolving dual-trait EPSP synthase variants using a synthetic yeast selection system. Proc Natl Acad Sci U S A, 121(35), e2317027121. https://doi.org/10.1101/2022.01.02.474499
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