2024年1月30日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王勇團隊在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，構建了綜合型的植物合成生物學元件庫PSBD（https://www.bic.ac.cn/PSBD/front/#/）。該元件庫針對植物合成生物學研究的需求，收錄整合了1677個催化元件、384個調控元件、309個物種信息及850個化合物信息，并提供BLAST、化合物相似性分析、催化元件系統(tǒng)發(fā)育分析和調控元件強度可視化等在線工具，可用于植物底盤中的遺傳電路設計、代謝通路設計及基因精細定量調控設計等。

生物元件是合成生物學研究中最簡單、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，如調控元件（操縱子、啟動子、增強子、轉錄因子等）、外顯子和蛋白質編碼開放閱讀框等。生物元件的設計和組裝，是合成生物學設計與構建的基石。近年來隨著合成生物學研究的深入發(fā)展，從簡單的單細胞系統(tǒng)逐漸轉向復雜的多細胞體系，植物合成生物學研究逐漸成為熱點。植物底盤的多樣化及其生長發(fā)育、代謝調控等性狀的復雜性，使其有別于單細胞微生物體系。盡管組學研究揭示了植物基因組中蘊含的大量潛在元件資源，但是這些序列缺乏必要的實驗表征，且未能進行標準化組裝，很難滿足合成生物學設計與構建的需求。迄今為止還鮮有專門針對植物底盤的合成生物學規(guī)?；?。

該工作所建立的植物合成生物學元件庫包含了“催化元件”“物種”“分子”“調控元件”和“組學”五類數(shù)據(jù)信息（圖1，A）。在PSBD中，任何一個元件、物種、分子的信息都可被視為一個數(shù)據(jù)節(jié)點，針對所有的數(shù)據(jù)節(jié)點都設置了相應的鏈接，使得它們形成一個網(wǎng)絡（圖1，B）。希望通過這種網(wǎng)絡化的知識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)分類的基礎上，按照元件特性進一步進行了分類（圖1，C）。1677個催化元件按照其表征的功能可以分為19類，包括602個細胞色素P450，572個萜類合酶，392個UDP依賴的糖基轉移酶，18個氧化還原酶等；按照代謝途徑進行分類的話，867個催化元件涉及萜類途徑，99個涉及類黃酮途徑，112個涉及生物堿途徑，56個涉及苯丙素途徑。調控元件也根據(jù)其功能分為21類，包括112個轉錄激活結構域，114個啟動子，19個DNA結合結構域，15個終止子，14個操縱子，8個5’UTR等。組學數(shù)據(jù)中包含了不同植物中的編碼序列（CDS）及預測獲得的功能序列，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?！?/span>BLAST”可用于在PSBD庫中搜索同源基因或蛋白序列；“Phylogenetic Analysis”可用于分析目標序列與庫中對應家族的催化元件的系統(tǒng)發(fā)育關系關系；“Chem Similarity”有助于搜索庫中相似的分子及其相關的催化元件；“Visual Strength”統(tǒng)一將啟動子與終止子的元件強度進行了梯度分類，用戶可以按照表達盒的強度選擇合適的調控元件。

對功能明確表征過的催化元件進行整合有助于預測一些感興趣的基因的功能（圖2，A）。論文中對新發(fā)現(xiàn)的TcTS2進行了BLAST分析和系統(tǒng)發(fā)育分析，結果顯示TcTS2屬于I型diTPS亞家族（圖2，B）。其功能驗證結果也證實了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度的調控元件，可以實現(xiàn)紫杉二烯在本氏煙草中的梯度合成，最高可達21.37±13.03 μg/g鮮重（圖2，C）。這也證實了PSBD在預測元件功能和定量調控基因表達上的潛力。

“all in one”是PSBD的一大特色，綜合型的元件資源對合成元件和遺傳電路的設計、改造和優(yōu)化提供了便利。基于PSBD中的調控元件構建出的轉錄信號變壓器（transcriptional signal transformer，TST）能夠將輸入信號轉化為不同的輸出強度（圖3）?；?/span>VPR-TST表達的EGFP強度最高可以達到庫中最強天然啟動子P_StUbi的2.6倍。黃病毒非結構蛋白1（NS1）在本氏煙草葉片中的表達分析也證明了TST系統(tǒng)的普適性。該元件庫的建立及后續(xù)的進一步充實將大大推進基于植物底盤的合成生物學相關研究。

中國科學院分子植物科學卓越創(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研究。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、上海市學術帶頭人計劃、國家自然科學基金、中國科學院先導項目及植物分子遺傳國家重點實驗室的資助。

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

圖1 （A）PSBD的內容框架（B）PSBD元件的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡圖（C）物種、催化元件、調控元件、分子和組學數(shù)據(jù)的分類信息

圖2 （A）CaseⅠ中PSBD的應用流程圖（B）TcTS2與PSBD內TPS家族蛋白的進化關系分析（C）調控元件控制本氏煙草葉片中紫杉二烯的產量

圖3 轉錄信號變壓器（transcriptional signal transformer，TST）