Non-specific activities of the major herbicide-resistance gene BAR

草铵膦 转基因 生物 生物化学 基因 氨基酸 基质(水族馆) 蛋白质工程 转基因作物 遗传学 生物技术 生态学 草甘膦
作者
Bastien Christ,Ramon Hochstrasser,Luzia Guyer,Rita de Brito Francisco,Sylvain Aubry,Stefan Hörtensteiner,Jing‐Ke Weng
出处
期刊:Nature plants [Springer Nature]
卷期号:3 (12): 937-945 被引量:44
标识
DOI:10.1038/s41477-017-0061-1
摘要

Bialaphos resistance (BAR) and phosphinothricin acetyltransferase (PAT) genes, which convey resistance to the broad-spectrum herbicide phosphinothricin (also known as glufosinate) via N-acetylation, have been globally used in basic plant research and genetically engineered crops 1–4 . Although early in vitro enzyme assays showed that recombinant BAR and PAT exhibit substrate preference toward phosphinothricin over the 20 proteinogenic amino acids 1 , indirect effects of BAR-containing transgenes in planta, including modified amino acid levels, have been seen but without the identification of their direct causes 5,6 . Combining metabolomics, plant genetics and biochemical approaches, we show that transgenic BAR indeed converts two plant endogenous amino acids, aminoadipate and tryptophan, to their respective N-acetylated products in several plant species. We report the crystal structures of BAR, and further delineate structural basis for its substrate selectivity and catalytic mechanism. Through structure-guided protein engineering, we generated several BAR variants that display significantly reduced non-specific activities compared with its wild-type counterpart in vivo. The transgenic expression of enzymes can result in unintended off-target metabolism arising from enzyme promiscuity. Understanding such phenomena at the mechanistic level can facilitate the design of maximally insulated systems featuring heterologously expressed enzymes. The herbicide-resistant BAR gene is broadly used in different plants. The current study reports the first crystal structure of the BAR enzyme and further demonstrate structure-guided engineering strategies to reduce the non-specific activities of BAR.
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