Triterpenoid biosynthesis and engineering in plants
- 作者
- Satoru Sawai, Kazuki Saito
- 单位
- Plant Science Center, RIKEN, Yokohama, Japan; Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University, Chiba, Japan
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2011）
- DOI
- 10.3389/fpls.2011.00025
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物三萜皂苷生物合成途径中的关键酶基因（OSC、P450、UGT）鉴定不足，导致三萜类化合物的稳定供应和生物技术应用受限。
研究策略
文献综述与案例分析：系统总结已鉴定的三萜生物合成基因，并结合青蒿素、紫杉醇、类胡萝卜素等生物技术生产实例，探讨三萜生物工程策略。
核心内容
该综述系统梳理了植物三萜皂苷生物合成途径中关键酶基因的鉴定现状，并探讨了通过代谢工程提升三萜产量的策略。文章总结了已克隆的氧化鲨烯环化酶（OSC）、细胞色素P450单加氧酶（CYP）和糖基转移酶（UGT）等基因，并通过青蒿素、紫杉醇等生产案例说明异源合成路径的可行性。关键数据表明，在酵母中重组表达青蒿酸产量可达115 mg/L，经发酵优化后提升至2.5 g/L；工程大肠杆菌中amorphadiene滴度达27.4 g/L，紫杉二烯产量超过1 g/L。此外，拟南芥根中thalianol仅占总甾醇的0.4%，大豆中抑制β-香树脂醇合酶后皂苷含量降至野生型约25%。尽管基因鉴定数量增加，仍无完整通路的全部基因被克隆。作者提出结合组学、转录因子工程及转运蛋白工程可加速基因发掘并提高三萜积累，为植物来源三萜类药物的稳定供应提供了可行的生物工程路径。
创新点
提出通过转录因子工程和转运蛋白工程改造植物三萜积累的思路；强调组学与先进测序技术加速基因发现；介绍酵母和大肠杆菌中异源生产三萜的进展。
研究对象（33）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | 三萜生物合成 | At5g48010 | thalianol synthase | 催化 | OSC，催化2,3-氧化鲨烯环化生成thalianol |
| 拟南芥 | 三萜生物合成 | CYP708A2 | CYP708A2 | 催化 | P450，参与thalianol代谢 |
| 拟南芥 | 三萜生物合成 | CYP705A5 | CYP705A5 | 催化 | P450，参与thalianol代谢 |
| 拟南芥 | 甾醇糖基化 | — | UDP-葡萄糖:甾醇葡萄糖基转移酶 | 催化 | UGT，催化甾醇糖基化 |
| 大豆 | 大豆皂苷生物合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | OSC，催化2,3-氧化鲨烯环化生成β-amyrin |
| 大豆 | 大豆皂苷生物合成 | CYP93E1 | CYP93E1 | 催化 | P450，催化C-24羟化 |
| 大豆 | 大豆皂苷生物合成 | UGT73P2 | UGT73P2 | 催化 | UGT，转移第二个糖（半乳糖） |
| 大豆 | 大豆皂苷生物合成 | UGT91H4 | UGT91H4 | 催化 | UGT，转移第三个糖（鼠李糖） |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | OSC，催化生成β-amyrin |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | UGT73K1 | UGT73K1 | 催化 | 三萜糖基转移酶 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | UGT71G1 | UGT71G1 | 催化 | 三萜/黄酮糖基转移酶，体外优先黄酮 |
| 蒺藜苜蓿 | 三萜皂苷生物合成 | UGT73F3 | UGT73F3 | 催化 | 催化常春藤皂苷元C-28羧基酯键糖基化 |
| 甘草 | 甘草酸生物合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 来自光果甘草，OSC |
| 甘草 | 甘草酸生物合成 | CYP88D6 | CYP88D6 | 催化 | P450，β-amyrin C-11氧化酶 |
| 甘草 | 甘草酸生物合成 | CYP93E3 | CYP93E3 | 催化 | P450，β-amyrin C-24氧化酶 |
| 燕麦 | 燕麦皂苷（avenacin）生物合成 | Sad1 | β-香树脂醇合酶 | 催化 | OSC，bAS |
| 燕麦 | 燕麦皂苷生物合成 | Sad2 | CYP51H10 | 催化 | P450，β-amyrin氧化酶 |
| 燕麦 | 燕麦皂苷生物合成 | Sad7 | 丝氨酸羧肽酶样酰基转移酶 | 催化 | SCPL酰基转移酶，参与avenacin合成 |
| 麦瓶草 | vaccaroside生物合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | OSC |
| 麦瓶草 | vaccaroside生物合成 | UGT74M1 | UGT74M1 | 催化 | UGT，催化C-28酯键糖基化 |
| 人参 | 人参皂苷生物合成 | CAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | OSC，参与甾醇生物合成 |
| 人参 | 人参皂苷生物合成 | bAS | β-香树脂醇合酶 | 催化 | OSC |
| 人参 | 人参皂苷生物合成 | LAS | 羊毛甾醇合酶 | 催化 | OSC |
| 人参 | 人参皂苷生物合成 | PNA | 达玛烯二醇-II合酶 | 催化 | OSC，催化生成达玛烯二醇-II骨架 |
| 酿酒酵母 | 青蒿素前体生物合成 | ADS, CYP71AV1, CPR | amorphadiene synthase, CYP71AV1, 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 来自黄花蒿，重组酵母产青蒿酸115 mg/L，优化后2.5 g/L |
| 大肠杆菌 | 青蒿素前体生物合成 | ADS, CYP71AV1, CPR | amorphadiene synthase, CYP71AV1, 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 产青蒿酸105 mg/L，amorphadiene滴度27.4 g/L |
| 大肠杆菌 | 紫杉醇前体生物合成 | CYP725A4 | taxadien-5α-羟化酶 | 催化 | 与Taxus CPR融合，产taxadien-5α-ol 58 mg/L |
| 水稻 | 维生素A原（β-胡萝卜素）生物合成 | psy, crtl | 八氢番茄红素合酶, 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | psy来自玉米，crtl来自细菌，黄金大米2代含量>30 μg/g |
| 大肠杆菌 | β-胡萝卜素生物合成 | MVA途径基因, β-胡萝卜素合成基因 | MVA途径酶, β-胡萝卜素合成酶 | 催化 | β-胡萝卜素产量465 mg/L，优化后663 mg/L |
| 烟草 | 二萜转运 | NpPDR1 | NpPDR1 | 转运 | ABC转运蛋白，分泌抗真菌二萜sclareol |
| 植物（多种） | 异戊二烯代谢 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达提高三萜产量，但可能引起生长抑制 |
| 植物（多种） | 异戊二烯代谢 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 与HMGR共表达可缓解生长抑制 |
| 植物（多种） | 三萜生物合成 | SQS | 鲨烯合酶 | 催化 | 过表达可提高三萜积累 |
关键发现
- 拟南芥根中thalianol约占总甾醇的0.4%
- 大豆RNAi抑制β-淀粉合酶后皂苷含量降至500 μg/g以下（约野生型25%）
- 重组酵母产青蒿酸115 mg/L，经发酵优化达2.5 g/L，工程大肠杆菌产青蒿酸105 mg/L，amorphadiene滴度达27.4 g/L
- 大肠杆菌产taxadiene超1 g/L，taxadien-5α-ol达58 mg/L
- 黄金大米2代中维生素A原含量>30 μg/g
- 工程大肠杆菌产番茄红素23 mg/g干重，β-胡萝卜素产量465 mg/L，优化培养后达663 mg/L
- 酵母中11-氧-β-香树脂醇产量约1.6 mg/L，11α-羟基-β-香树脂醇约0.2 mg/L
- 酵母中β-香树脂醇产量达6 mg/L。
研究结论
尽管近年鉴定的三萜生物合成基因数量增加，但尚无完整通路所有基因被鉴定。未来需结合组学与先进DNA测序技术加速基因发现，并理解转录调控和亚细胞积累机制，以实现植物三萜的高效生物工程生产。