Modifications of the metabolic pathways of lipid and triacylglycerol production in microalgae
- 作者
- Wei-Luen Yu, William Ansari, Nathan G Schoepp, Michael J Hannon, Stephen P Mayfield, Michael D Burkart
- 单位
- Department of Chemistry & Biochemistry, University of California San Diego; Division of Molecular Biology, University of California San Diego; The San Diego Center for Algae Biotechnology, University of California San Diego
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2011）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-10-91
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻作为生物燃料原料，其油脂（特别是三酰甘油）产量和脂肪酸组成尚不理想，需要通过代谢工程改造脂质合成途径以提高油脂产量并优化脂肪酸组成，使其更适合生物柴油生产。
研究策略
综述植物和微藻中三酰甘油的生物合成途径、限速步骤及关键酶，总结通过基因工程（如过表达ACCase、GPDH、GPAT、DGAT、硫酯酶，下调FAD2和FatB等）改变脂质含量和脂肪酸组成的成功案例，并探讨微藻遗传转化技术（如衣藻核转化、叶绿体转化、RNAi等）的应用前景。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程改造微藻及植物脂质合成途径以提高三酰甘油产量并优化脂肪酸组成的研究进展。作者梳理了脂肪酸从头合成、Kennedy途径等关键限速步骤，重点讨论了过表达乙酰辅酶A羧化酶、甘油-3-磷酸酰基转移酶、二酰甘油酰基转移酶、硫酯酶以及下调FAD2脱饱和酶等策略的效果。关键结果表明，表达酵母gpd1可使油菜种子油含量增加40%，GPAT过表达使拟南芥种子油含量提升10–21%；在脂肪酸组成优化方面，下调FAD2和FatB使大豆油酸水平超过85%，而表达月桂酰-ACP硫酯酶可使油菜中月桂酸含量高达58%，共表达椰子LPAAT与硫酯酶后月桂酸可达总脂肪酸的67%，说明多基因共表达是积累非天然脂肪酸的有效策略。此外，微藻在胁迫条件下脂质含量可从常规的25.5%提升至55.2%（以干重计），显示出作为生物燃料原料的巨大潜力。该工作表明，末端酰基转移酶的改造是提高油脂产量的核心靶点，而微藻油脂生产的商业化仍需依赖更成熟的核转化与基因编辑技术，并结合系统生物学手段实现高效多基因协同调控。
创新点
系统比较了不同植物和藻类中油脂代谢工程策略的效果，提出了通过多基因共表达（如硫酯酶+KAS、硫酯酶+LPAAT）提高非天然脂肪酸积累的策略；强调微藻遗传改造（如sta6敲除、RNAi敲低脂质分解相关基因）对提高脂质产量的潜力。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Brassica napus | 脂肪酸从头合成 | ACCase | 乙酰辅酶A羧化酶 | 催化 | 表达胞质型ACCase靶向叶绿体，种子油含量增加5% |
| Brassica napus | 脂肪酸从头合成 | KASIII | 3-酮脂酰-ACP合酶III | 催化 | 来自菠菜，过表达增加棕榈酸比例，但总脂肪酸含量降低5-10% |
| Brassica napus | 甘油-3-磷酸合成 | gpd1 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 | 催化 | 酵母基因，种子油含量增加40% |
| Arabidopsis thaliana | Kennedy途径 | GPAT | 甘油-3-磷酸酰基转移酶 | 催化 | 来自红花，去除质体靶向序列后表达，种子油含量增加10-21% |
| Brassica napus | Kennedy途径 | SLC1-1 | sn-2酰基转移酶 | 催化 | 来自酵母，高芥酸品种中总芥酸产量增加53-121% |
| Brassica napus | 三酰甘油合成 | DGAT1 | 二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 来自拟南芥，过表达增加油含量和种子重量 |
| Glycine max | 脂肪酸脱饱和 | FAD2, FatB | 脂肪酸脱饱和酶/硫酯酶 | 调控 | 下调FAD2和FatB使油酸水平超过85%，饱和脂肪酸低于6% |
| Nicotiana tabacum | 脂肪酸脱饱和 | Δ4 palmitoyl-ACP desaturase | Δ4棕榈酰-ACP脱饱和酶 | 催化 | 来自芫荽，总脂肪酸中棕榈油酸比例低于10% |
| Arabidopsis thaliana | 脂肪酸合成 | Lauryl-ACP thioesterase | 月桂酰-ACP硫酯酶 | 催化 | 来自Umbellularia californica，月桂酸占总脂肪酸24% |
| Brassica napus | 脂肪酸合成 | Lauryl-ACP thioesterase | 月桂酰-ACP硫酯酶 | 催化 | 来自Umbellularia californica，月桂酸占总脂肪酸58% |
| Brassica napus | 脂肪酸合成 | FatB1 | 中链酰基-ACP硫酯酶 | 催化 | 来自Cuphea hookeriana，积累11%辛酸和27%癸酸 |
| Brassica napus | 脂肪酸合成 | FatB1 + KAS | 中链酰基-ACP硫酯酶+3-酮脂酰-ACP合酶 | 催化 | 共表达比单独表达FatB1短链脂肪酸含量提高30-40% |
| Brassica napus | 三酰甘油合成 | LPAAT | 溶血磷脂酸酰基转移酶 | 催化 | 来自椰子，与月桂酰-ACP硫酯酶共表达使月桂酸达总脂肪酸67% |
| Cyclotella cryptica | 脂肪酸从头合成 | ACCase | 乙酰辅酶A羧化酶 | 催化 | 过表达使ACCase活性提高2-3倍，但脂质产量未增加 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 淀粉合成/脂质积累 | sta6 | ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（推测） | 调控 | sta6缺失突变体在氮饥饿条件下脂质产量显著增加 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 脂质代谢 | MLDP | 主要脂滴蛋白 | 区室化 | RNAi沉默MLDP影响脂滴大小，可作为脂质含量成像靶标 |
| Chlamydomonas reinhardtii | 脂质分解 | LCS | 长链酰基-CoA合成酶（推测） | 催化 | 氮饥饿条件下RNA-seq显示β氧化基因LCS表达下降 |
| Phaeodactylum tricornutum | 脂肪酸合成 | KASI, FAT1, DGAT | 3-酮脂酰-ACP合酶I、脂肪酸硫酯酶、二酰甘油酰基转移酶 | 催化 | 氮饥饿条件下这些脂质合成基因表达上调 |
关键发现
- 表达胞质型ACCase使油菜种子含油量增加5%
- 表达酵母gpd1使种子油含量增加40%
- GPAT表达使拟南芥种子油含量增加10-21%
- 表达酵母sn-2酰基转移酶SLC1-1使芥酸产量提高53-121%
- 下调FAD2和FatB使大豆油酸水平超过85%（饱和脂肪酸低于6%）
- 表达Umbellularia californica月桂酰-ACP硫酯酶使拟南芥月桂酸占总脂肪酸24%、油菜中达58%
- 表达Cuphea hookeriana FatB1使油菜积累11%辛酸和27%癸酸
- 共表达FatB1与KAS使短链脂肪酸含量提高30-40%
- 共表达椰子LPAAT与月桂酰-ACP硫酯酶使月桂酸达总脂肪酸67%
- 绿藻平均脂质含量25.5% DCW，胁迫条件下可升至55.2% DCW
- 硅藻平均脂质含量22.7% DCW，胁迫条件下为44.6% DCW
- 微藻一般生化组成为蛋白质30-50% DCW、碳水化合物20-40% DCW、脂质8-15% DCW。
研究结论
通过代谢工程改造脂质合成途径（尤其是Kennedy途径末端的酰基转移酶）能有效提高植物和微藻的油脂含量，改变脂肪酸组成可获得更优质的生物柴油；微藻具有作为生物燃料原料的巨大潜力，但需要进一步发展可靠的核转化和基因编辑技术，并结合多基因共表达和系统生物学方法实现高效的油脂生产。