解码GAME15双功能蛋白在茄科植物甾体代谢工程中的关键作用与机制

为解决茄科植物甾体糖苷生物碱(SGAs)和甾体皂苷(STSs)异源重构失败的科学难题，海南大学团队揭示了GAME15蛋白的双重功能——既作为葡萄糖醛酸转移酶催化胆固醇首步修饰，又作为支架蛋白组织代谢酶复合体(GAME6/8/11)，首次实现完整通路在烟草中的异源表达。该发现为作物抗虫改良和抗癌药物uttroside B的生物合成提供了新策略，发表于《Horticulture Research》。

　　

植物与病原体的军备竞赛催生了复杂的化学防御系统，其中茄科植物（如番茄、马铃薯）通过合成甾体糖苷生物碱(SGAs)和甾体皂苷(STSs)构建天然屏障。这些胆固醇衍生物不仅是高效的"植物农药"，还具有抗癌、抗炎等药用价值。然而，尽管科学家已鉴定出多个GLYCOALKALOID METABOLISM(GAME)基因，但二十年来始终无法在异源宿主中重建完整代谢通路，这成为代谢工程领域悬而未决的难题。

海南大学的研究团队通过系统研究，发现GAME15蛋白是破解这一困局的关键钥匙。这项发表于《Horticulture Research》的研究揭示，GAME15作为细胞膜定位的纤维素合成酶样(CSL)蛋白，兼具酶活性和脚手架功能：其N端结构域催化胆固醇C3位葡萄糖醛酸化，而C端跨膜区则与GAME6/GAME8/GAME11等酶形成"代谢工厂"(metabolon)，将毒性中间产物封闭在纳米级反应空间中。

研究采用多组学联用策略：通过番茄和马铃薯的GAME15基因敲除株发现SGAs/STSs完全缺失且胆固醇累积；利用分裂荧光素酶和荧光寿命成像(FLIM-FRET)证实GAME15与胆固醇合成酶7-DR2/C5-SD2的相互作用；同位素标记实验显示代谢酶复合体可使中间体通道效率提升8倍。最突破性的成果是在本氏烟草中成功重构通路——仅当GAME15存在时，才能检测到终产物α-番茄碱和uttroside B的生成。

分子架构的突破性发现
GAME15通过双重机制解决代谢瓶颈：其葡萄糖醛酸转移酶活性启动胆固醇转化，而支架功能将细胞色素P450(GAME6/8)和双加氧酶(GAME11)等空间组织化，避免疏水性中间体扩散至细胞质引发毒性。这种"酶-脚手架"双功能模式在植物次生代谢中尚属首例。

生态与农艺价值验证
GAME15敲除株对马铃薯甲虫的敏感性增加3倍，首次证明STSs与SGAs协同防御。更引人注目的是，通过调控GAME15表达可定向改造代谢流——在果实中抑制其表达可降低α-番茄碱毒性，而在叶片增强表达则提升抗虫性，为"减毒抗病"精准育种提供靶点。

这项研究不仅填补了植物甾体代谢的机制空白，更开创了代谢工程新范式。GAME15的模块化特性使其成为理想的合成生物学工具，未来可通过改造其蛋白互作界面设计人工代谢网，实现高价值甾体化合物的定制化生产。对于肝癌治疗药物uttroside B的可持续供应具有重大意义，同时为减少化学农药使用的绿色农业提供解决方案。

研究也提出若干待解谜题：GAME15如何协调双功能？其CSL家族起源反映怎样的进化策略？这些问题的探索将进一步揭示植物次生代谢的进化智慧，并为作物抗逆改良开辟新途径。