Conserved early steps of stemmadenine biosynthesis

烟草 生物合成 异源表达 异源的 长春花 生物化学 生物 酶 基因 内生 体外 化学 细胞生物学 ATP合酶 焊剂(冶金) 文多林 代谢途径 天然产物 磷酸戊糖途径
作者
Mohamed O. Kamileen,Yoko Nakamura,Marlen Sigmund,Radhika Keshan,Veit Gabe,Sarah Heinicke,Maritta Kunert,Benke Hong,Ryan M. Alam,Gyumin Kang,Lorenzo Caputi,Sarah E. O’Connor
出处
期刊:Journal of Biological Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:302 (2): 111120-111120
标识
DOI:10.1016/j.jbc.2025.111120
摘要

Stemmadenine acetate is a pivotal intermediate in the production of pharmacologically active monoterpene indole alkaloids. Here, we identify orthologs of the stemmadenine acetate pathway genes (SGD, GS, GO, Redox1, Redox2, and SAT). We characterize these enzymes in vitro, and in addition, we reconstitute stemmadenine acetate biosynthesis in Nicotiana benthamiana, comparing the formation of intermediates and shunt products that are produced when previously characterized orthologs from the plant Catharanthus roseus are used. Ortholog pairs are catalytically indistinguishable, except in the case of geissoschizine synthase. Surprisingly, the geissoschizine synthase ortholog catalyzes the formation of an alternative stereoisomer, 19Z-geissoschizine, seeding a low-flux Z-series in heterologous reconstitution systems in vitro and in planta. We, in addition, characterize the major shunt products that arose during reconstitution of stemmadenine acetate biosynthesis. We show that the substrate promiscuity of Redox1 results in the formation of the shunt products 16(R/S)-isositsirikines, hampering pathway flux and yields. In addition, we show that stemmadenine can be oxidized by endogenous N. benthamiana enzymes, leading to the shunt product condylocarpine. Nevertheless, we could produce stemmadenine at a 6 mg yield from 19E-geissoschizine by heterologous expression in N. benthamiana. Overall, we highlight the prospects for milligram production of important biosynthetic intermediates in N. benthamiana.
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