The biosynthesis of C5-C25 terpenoid compounds
- 作者
- Paul M. Dewick
- 单位
- Department of Pharmaceutical Sciences, University of Nottingham, Nottingham, UK NG7 2RD
- 杂志
- Natural Product Reports（1997）
- DOI
- 10.1039/np9971400111
- 所属领域
- 天然产物生物合成
- 关键词
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解决的核心问题
系统总结1993-1995年间C5-C25萜类化合物生物合成的研究进展，涵盖甲羟戊酸途径、非甲羟戊酸途径（磷酸二羟丙酮途径）、异戊烯基转移酶、以及各类单萜、倍半萜、二萜和二倍半萜的环化酶与修饰酶。
研究策略
以文献综述方式，按生物合成途径和萜类碳数分类组织内容，重点介绍关键酶（HMG-CoA合酶、HMG-CoA还原酶、异戊烯基转移酶、萜烯环化酶等）的纯化、克隆、突变研究和立体化学机制。
核心内容
该综述系统总结了1993至1995年间C5-C25萜类化合物生物合成的研究进展，重点围绕甲羟戊酸途径与非甲羟戊酸（DXP）途径、异戊烯基转移酶、各类萜烯环化酶及其修饰酶展开。作者按生物合成途径与碳数分类组织内容，整合了关键酶的纯化、克隆、定点突变及立体化学机制研究。关键结果包括：重组禽类HMG-CoA合酶在大肠杆菌中表达量占细胞总蛋白20%以上，Cys-129为催化必需残基；将橡胶或仓鼠HMG-CoA还原酶基因导入烟草可使总甾醇水平提高3至10倍，环阿屯醇增加超过100倍；甲羟戊酸5-二磷酸脱羧酶的氟甲基类似物脱羧速率比天然底物慢2500倍；IPP异构酶E207Q与E207V突变体完全失活；芽孢杆菌FPP合酶在65℃保温70分钟仍具活性；不同来源柠檬烯合酶产生不同对映体，立体化学由松柏基二磷酸（LPP）构型决定，1,8-桉叶素合酶反应中氧原子来源于水。该综述确认了甲羟戊酸途径的调控作用并揭示细菌中DXP途径的存在，为后续萜类代谢工程奠定了基础。
创新点
总结了细菌中非甲羟戊酸途径（DXP途径）的证据；利用定点突变和标记底物阐明了多种萜烯环化酶的立体化学机制；报道了大量萜类生物合成基因的克隆与异源表达。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 甲羟戊酸途径 | HMG-CoA synthase | HMG-CoA合酶 | 催化 | 重组表达占细胞总蛋白>20%，Cys-129为必需残基 |
| Escherichia coli | 甲羟戊酸途径 | HMGR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 拟南芥HMGR催化域在大肠杆菌中表达，Ser-577磷酸化可逆失活 |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 甾醇生物合成 | Hevea brasiliensis HMGR基因 | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 表达后总甾醇水平增加约6倍 |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 甾醇生物合成 | 仓鼠HMGR基因 | HMG-CoA还原酶 | 催化 | HMGR活性增加3-6倍，总甾醇增加3-10倍，环阿屯醇增加>100倍 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径 | IPP isomerase (IDI) | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | Cys-138/Cys-139和Glu-207为关键残基；E207Q/E207V完全失活 |
| Mentha spicata | 单萜生物合成 | limonene synthase | 柠檬烯合酶 | 催化 | 产生(4S)-(-)-柠檬烯；cDNA在E. coli中功能表达 |
| Citrus unshiu | 单萜生物合成 | limonene synthase | 柠檬烯合酶 | 催化 | 产生(4R)-(+)-柠檬烯；与Mentha酶立体化学互为镜像 |
| Salvia officinalis | 单萜生物合成 | pinene synthase / cineole synthase | 蒎烯合酶 / 1,8-桉叶素合酶 | 催化 | 阐明了α-蒎烯形成中质子消除的立体专一性；1,8-桉叶素氧原子来自水 |
| Pinus contorta | 单萜生物合成 | carene synthase | 3-蒈烯合酶 | 催化 | 环丙烷环形成伴随5-pro-R质子消除和构型翻转 |
| Bacillus stearothermophilus | 异戊二烯代谢 | FPP synthase | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 热稳定酶，65℃下70分钟仍有活性；仅含两个半胱氨酸且非必需 |
| Methanobacterium thermoautotrophicum | 古菌膜脂生物合成 | GGPP synthase / FPP/GGPP合酶 | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 双功能酶，最适温度65℃，催化IPP向DMAPP/GPP/FPP的转移 |
| Clarkia breweri | 单萜生物合成 | linalool synthase | 芳樟醇合酶 | 催化 | 将GPP转化为(S)-芳樟醇，偏好Mn2+，不利用LPP |
关键发现
- 重组禽类HMG-CoA合酶在大肠杆菌中表达量占细胞总蛋白的20%以上，Cys-129为催化必需残基
- 将橡胶HMG-CoA还原酶基因导入烟草使总甾醇水平增加约6倍，仓鼠HMGR基因导入烟草使HMGR活性提高3-6倍、总甾醇增加3-10倍、环阿屯醇增加超过100倍
- 甲羟戊酸5-二磷酸脱羧酶的氟甲基类似物9脱羧速率比天然底物慢2500倍
- IPP异构酶突变体E207Q和E207V完全失活，C139S突变体活性降低
- 芽孢杆菌FPP合酶在65℃保温70分钟仍保持活性
- 柠檬烯合酶的不同来源产生不同对映体，立体化学由LPP构型决定
- 1,8-桉叶素合酶反应中氧原子来源于水。
研究结论
该综述全面总结了1993-1995年C5-C25萜类生物合成在酶学、机制和基因水平上的研究进展，确认了甲羟戊酸途径的关键调控作用，并揭示了细菌中非甲羟戊酸途径的存在，为后续萜类代谢工程和合成生物学研究奠定了基础。