Metabolic engineering of plants for artemisinin synthesis
- 作者
- Moran Farhi, Magali Kozin, Shai Duchin, Alexander Vainstein
- 单位
- The Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, Institute of Plant Sciences and Genetics in Agriculture, The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot 76100, Israel; Department of Plant Biology, University of California, Davis, CA 95616, USA
- 杂志
- Biotechnology and Genetic Engineering Reviews（2013）
- DOI
- 10.1080/02648725.2013.821283
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学 / 植物生物技术
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素是治疗耐药性疟疾的有效药物，但其来源仅靠天然植物黄花蒿，产量低（干重的0.01%-0.8%），供应远不能满足需求。化学合成不经济，亟需通过代谢工程提高青蒿素产量或构建异源生产平台。
研究策略
综述了同源（黄花蒿）和异源（烟草等）植物中代谢工程生产青蒿素的策略，包括增强MVA途径通量、下调竞争途径（如SQS、β-石竹烯合酶）、过表达青蒿素途径关键基因（ADS、CYP71AV1等）及转录因子，以及利用多基因转化和亚细胞区室化（线粒体、质体）在异源植物中重构完整青蒿素途径。
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程在植物中提高青蒿素产量及构建异源生产平台的策略。针对天然黄花蒿产量低（干重的0.01%–0.8%）且化学合成不经济的瓶颈，研究者综合了同源与异源两条路径：一方面在黄花蒿中通过增强MVA途径通量（共表达HMG-R与ADS使青蒿素含量提高7倍）、下调竞争途径（RNAi抑制鲨烯合酶等）、过表达关键基因及转录因子（过表达AaERF1使含量提高约50%）来提升产量，分子育种杂交品系较对照增产约50%；另一方面，利用合成生物学工具在烟草中重构青蒿素完整生物合成途径，通过多基因巨型载体转化及亚细胞区室化策略实现产量突破——将ADS与FDPS靶向质体共表达时紫穗槐二烯产量较细胞质单表达提升约10,000倍，最终多基因构建体在烟草中成功累积青蒿素约7 μg/g干重。结果表明，异源植物全合成青蒿素已具可行性，亚细胞区室化是多基因萜类途径高效表达的关键，结合细胞悬浮培养与生物反应器有望实现低成本连续生产，为稳定供应抗疟药物提供了新思路。
创新点
提出在异源植物中利用合成生物学工具实现青蒿素全合成的可行性；强调多基因巨型载体和亚细胞区室化（线粒体/质体靶向）对提高萜类产量的重要性；首次证明在烟草中工程化生产青蒿素（约7 μg/g干重），并指出细胞悬浮培养与生物反应器作为未来生产平台的潜力。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua | MVA途径 | HMG-R | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径限速酶，过表达可增强前体供应 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ADS | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 催化FDP环化生成紫穗槐二烯，是途径的第一个关键酶 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 紫穗槐二烯12-羟化酶（细胞色素P450） | 催化 | 连续氧化紫穗槐二烯生成青蒿醇、青蒿醛、青蒿酸 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CYP71AV1提供电子供体，共表达可增强P450活性 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 还原青蒿醛为二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 氧化二氢青蒿醛生成二氢青蒿酸，后者为青蒿素的直接前体 |
| Artemisia annua | MVA途径 | FDPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP/DMAPP缩合生成FDP，是萜类前体合成的关键酶 |
| Artemisia annua | 甾醇生物合成 | SQS | 鲨烯合酶 | 催化 | 与ADS竞争FDP，下调其表达可减少分流并提高青蒿素含量 |
| Artemisia annua | 萜类生物合成 | β-石竹烯合酶基因 | β-石竹烯合酶 | 催化 | RNAi下调该基因，以减少FDP向其他倍半萜的消耗 |
| Artemisia annua | 调控网络 | AaERF1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 响应茉莉酸，结合ADS和CYP71AV1启动子，过表达提高青蒿素约50% |
| Artemisia annua | 调控网络 | AaERF2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 同AaERF1，过表达同样提高青蒿素含量 |
| Artemisia annua | 调控网络 | AaWRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 直接激活ADS转录，瞬时表达可上调其他青蒿素合成基因 |
| Nicotiana tabacum | 萜类生物合成 | ADS（线粒体靶向） | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 线粒体靶向表达较细胞质表达大幅提高紫穗槐二烯产量 |
| Nicotiana tabacum | 萜类生物合成 | FDPS（线粒体或质体靶向） | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 与靶向ADS共表达，增强FDP供应并提高紫穗槐二烯积累 |
| Nicotiana tabacum | 青蒿素生物合成 | tHMG | 截短的HMG-CoA还原酶 | 催化 | 来自酵母或拟南芥，解除反馈抑制，增强MVA通量 |
| Nicotiana tabacum | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1, CPR, DBR2, ADS, tHMG 多基因联合 | 青蒿素途径多酶复合 | 催化 | 多基因巨型载体在烟草中成功实现青蒿素全合成（约7 μg/g干重） |
| Nicotiana benthamiana | 青蒿素前体合成 | mtADS, mtFDPS, tHMG | 线粒体靶向紫穗槐二烯合酶、法尼基二磷酸合酶及截短HMG-CoA还原酶 | 催化 | 瞬时共表达后紫穗槐二烯产量约6 μg/g鲜重，tHMG为主要贡献因素 |
关键发现
- 黄花蒿中青蒿素含量约为干重的0.01%-0.8%
- 分子育种使杂交品系产量较对照品种提高约50%
- 共表达HMG-R与ADS使青蒿素含量提高7倍
- 表达棉属FDPS使青蒿素含量提高2倍
- RNAi下调β-石竹烯合酶仅小幅提高青蒿素
- 过表达AaERF1或AaERF2使青蒿素含量提高约50%
- 在烟草中单独表达ADS仅产生约1 ng/g鲜重的紫穗槐二烯，而线粒体靶向ADS与FDPS共表达使产量达约6 μg/g鲜重，质体靶向策略使产量达约25 μg/g鲜重
- 将ADS、FDPS靶向至烟草质体并共表达时，紫穗槐二烯产量较单独表达细胞质ADS提升约10,000倍
- 在烟草中共表达ADS、CYP71AV1、DBR2、CPR及tHMG的多基因构建体，成功积累青蒿素约7 μg/g干重。
研究结论
在异源植物（如烟草）中全合成青蒿素已可行，多基因转化结合亚细胞区室化策略可进一步提高产量；未来通过细胞培养和原位产物去除可实现连续生产，有望降低青蒿素生产成本并稳定供应。