Incorporation of nitrogen in antinutritional Solanum alkaloid biosynthesis

糖生物碱 生物合成 生物化学 代谢途径 生物碱 龙葵 转氨作用 代谢物 苷元 新陈代谢 生物 化学 茄科 植物 基因 糖苷
作者
Dagny Grzech,Samuel J. Smit,Ryan M. Alam,Marianna Boccia,Yoko Nakamura,Benke Hong,Ranjit S. Barbole,Sarah Heinicke,Maritta Kunert,Wibke Seibt,Veit Grabe,Lorenzo Caputi,Benjamin R. Lichman,Sarah E. O’Connor,Asaph Aharoni,Prashant D. Sonawane
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Nature Portfolio]
卷期号:21 (1): 131-142 被引量:23
标识
DOI:10.1038/s41589-024-01735-w
摘要

Steroidal glycoalkaloids (SGAs) are specialized metabolites produced by hundreds of Solanum species including food crops, such as tomato, potato and eggplant. Unlike true alkaloids, nitrogen is introduced at a late stage of SGA biosynthesis through an unknown transamination reaction. Here, we reveal the mechanism by which GLYCOALKALOID METABOLISM12 (GAME12) directs the biosynthesis of nitrogen-containing steroidal alkaloid aglycone in Solanum. We report that GAME12, a neofunctionalized γ-aminobutyric acid (GABA) transaminase, undergoes changes in both active site specificity and subcellular localization to switch from its renown and generic activity in core metabolism to function in a specialized metabolic pathway. Moreover, overexpression of GAME12 alone in engineered S. nigrum leaves is sufficient for de novo production of nitrogen-containing SGAs. Our results highlight how hijacking a core metabolism GABA shunt enzyme is crucial in numerous Solanum species for incorporating a nitrogen to a steroidal-specialized metabolite backbone and form defensive alkaloids.
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