Heterologous biosynthesis of artemisinic acid in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- C. Li, J. Li, G. Wang, X. Li
- 单位
- Key Laboratory of Environmental and Applied Microbiology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, China; Environmental Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
- 杂志
- Journal of Applied Microbiology（2016）
- DOI
- 10.1111/jam.13044
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
在酿酒酵母中异源合成抗疟药物青蒿素前体青蒿酸，解决传统代谢工程策略导致的碳通量失衡和代谢功能障碍，进一步提高青蒿酸产量以满足工业需求。
研究策略
综述传统策略（过表达关键基因、抑制竞争途径）与新兴系统生物学方法（代谢通量分析、基因组规模模型、融合蛋白技术、动态调控、反向代谢工程等），结合生物信息学与组学数据优化异源合成途径。
核心内容
该研究系统综述了在酿酒酵母中异源合成青蒿酸（抗疟药物青蒿素前体）的代谢工程策略及其进展。传统方法主要聚焦于过表达甲羟戊酸途径关键基因（如tHMGR、ERG20）和抑制竞争途径（如下调ERG9），但简单操作易导致碳通量失衡和代谢功能障碍。作者总结了多种新兴系统生物学手段，包括代谢通量分析、基因组规模模型、融合蛋白技术、动态调控及反向代谢工程等，强调从局部基因调控转向全局代谢网络优化。关键结果方面，通过整合ADH1、CYP71AV1、CPR1、CYB5和ALDH1五个基因并优化发酵，青蒿酸产量最高达25 g/L；过表达MVA途径全部基因可使紫穗槐二烯产量达36 g/L；下调ERG9并结合ERG20-ADS融合蛋白可使紫穗槐二烯产量提高约2倍。此外，CYP71AV1表达会引起严重氧化胁迫，抑制CPR1虽改善细胞健康但降低产量，动态调控ERG9则可避免生长抑制。这些结果表明，仅靠简单过表达或抑制难以满足工业需求，须借助生物信息学和组学数据重建代谢途径，设计更优底盘菌株，为青蒿酸及其他萜类天然产物的高效合成提供了系统化思路。
创新点
系统总结了应用生物信息学、组学技术、代谢模型和动态反馈调控等新策略在酿酒酵母中提高青蒿酸产量的可行性，提出从局部调控转向全局代谢网络优化的观点。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR/tHMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 催化HMG-CoA转化为MVA，截短形式tHMGR用于增强通量 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径 | ERG20 | 法呢基焦磷酸合酶（FPPS） | 催化 | 催化IPP和DMAPP合成FPP |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素前体合成途径 | ADS | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 催化FPP转化为amorphadiene |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化amorphadiene氧化生成青蒿酸前体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸合成途径 | CPR1 | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CYP71AV1提供电子，其抑制可减少活性氧胁迫但降低产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸合成途径 | CYB5 | 细胞色素b5 | 催化 | 参与电子传递，促进P450催化的氧化反应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸合成途径 | ADH1 | 青蒿醇脱氢酶 | 催化 | 催化青蒿醇氧化为青蒿醛 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿酸合成途径 | ALDH1 | 青蒿醛脱氢酶 | 催化 | 催化青蒿醛氧化为青蒿酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成途径（竞争途径） | ERG9 | 鲨烯合酶（SQS） | 催化 | 竞争性消耗FPP合成鲨烯，下调其表达可增加青蒿前体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成调控 | UPC2 | 转录因子Upc2p | 调控 | 调控甾醇合成基因ERG2，过表达upc2-1可抑制甾醇合成但导致生长抑制 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AabHLH1 | bHLH转录因子 | 调控 | 正调控ADS、CYP71AV1和HMGR表达 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | AabZIP1 | bZIP转录因子 | 调控 | 正调控ADS和CYP71AV1表达，提高青蒿素积累 |
关键发现
- 青蒿酸在酿酒酵母中的最高产量已达25 g/L
- 通过过表达MVA途径全部基因及发酵优化，amorphadiene产量达36 g/L
- 表达ADS、ERG20、tHMGR等基因后amorphadiene产量为23.6 mg/L
- 下调ERG9并结合ERG20-ADS融合蛋白使amorphadiene产量提高约2倍（约12-08 mg/L，原文有误）
- 整合ADH1、CYP71AV1、CPR1、CYB5和ALDH1五个基因并优化发酵使青蒿酸产量达25 g/L
- 在CYP71AV1表达菌株中观察到严重氧化胁迫，抑制CPR1可改善细胞健康但降低青蒿酸产量
- 动态调控ERG9表达可避免生长抑制。
研究结论
青蒿酸异源合成虽取得重大进展，但工业产量仍不满意；仅靠简单过表达或抑制关键基因会破坏代谢平衡，需结合系统生物学策略，从全局代谢网络出发，利用生物信息学和组学数据重建代谢途径，设计更优的底盘菌株。