Combinatorial biosynthesis in plants: A (p)review on its potential and future exploitation
- 作者
- Jacob Pollier, Tessa Moses, Alain Goossens
- 单位
- VIB Department of Plant Systems Biology, Ghent University, Belgium; K.U. Leuven, Belgium
- 杂志
- Natural Product Reports（2011）
- DOI
- 10.1039/c1np00049g
- 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
如何利用植物组合生物合成方法产生新型天然产物类似物以支持药物发现
研究策略
系统综述了生物转化、突变合成、杂交组合代谢、沉默代谢激活和植物合成生物学等多种策略，并结合具体案例评估其潜力
核心内容
该综述系统梳理了植物组合生物合成在新型天然产物发现中的策略与潜力，涵盖生物转化、突变合成、杂交代谢、沉默代谢激活及植物合成生物学等途径。文章以多个实例支撑其可行性：拟南芥基因组中约20%的基因预测编码酶；豌豆多芳基合成酶可自2,3-氧化鲨烯生成8种三萜骨架；冷杉δ-selinene合酶与γ-humulene合酶分别产生34种和52种倍半萜，显示植物酶显著的底物杂泛性。在工程层面，酵母中共表达青蒿素途径基因使青蒿酸产量达100 mg/L，而烟草质体共表达FPS与ADS使amorpha-4,11-diene积累提高逾千倍至25 mg/kg鲜重；RNAi沉默长春花色氨酸脱羧酶后喂养非天然类似物，或引入原核卤化酶，均可产生新型萜类吲哚生物碱及卤代产物；胡萝卜毛状根还能将前手性酮还原为对映体纯度>98%的醇。这些案例表明，利用植物酶固有杂泛性并激活沉默基因，可有效拓展化合物结构多样性，为药物发现提供新来源，但多基因共表达与基因发掘工具仍需进一步发展。
创新点
提出植物中组合生物合成的框架，强调利用植物酶的底物杂泛性和沉默代谢的激活，以及合成生物学工具在植物（如烟草）中重建复杂生物合成途径
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | TDC | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 编码色氨酸脱羧酶，在mutasynthesis中通过RNAi沉默以阻断色胺合成 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | STR | strictosidine合酶 | 催化 | 催化色胺与secologanin缩合生成strictosidine；可改造底物特异性 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱生物合成 | 卤化酶基因 | 原核卤化酶 | 催化 | 引入卤化酶使色氨酸氯化，进而生成卤代生物碱 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素前体生物合成（萜类） | ADS, CYP71AV1, FPS | amorpha-4,11-diene合酶、CYP71AV1、法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 工程酵母产artemisinic acid达100 mg/L |
| Nicotiana tabacum | 青蒿素生物合成 | ADS, FPS | amorpha-4,11-diene合酶、法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 质体共表达使amorpha-4,11-diene产量提高1000倍至25 mg/kg鲜重 |
| Nicotiana benthamiana | 青蒿素生物合成 | ADS, CYP71AV1 | amorpha-4,11-diene合酶、CYP71AV1 | 催化 | 瞬时表达后产物被内源糖基转移酶代谢为artemisinic acid-12-β-二葡萄糖苷 |
| Arabidopsis thaliana | 三萜生物合成 | THAS | 氧化鲨烯环化酶（thalianol合酶） | 催化 | 功能分析发现其合成thalianol，激活了植物的沉默代谢 |
| Pisum sativum | 三萜生物合成 | 多芳基合成酶基因 | 多芳基合成酶 | 催化 | 从2,3-氧化鲨烯产生8种不同三萜骨架 |
| Abies grandis | 倍半萜生物合成 | δ-selinene synthase, γ-humulene synthase | δ-selinene合酶、γ-humulene合酶 | 催化 | 分别产生34种和52种倍半萜骨架 |
| Nicotiana tabacum | 倍半萜生物合成 | patchoulol synthase | patchoulol合酶 | 区室化 | 将酶从胞质靶向叶绿体，产生高水平patchoulol及多种新倍半萜 |
关键发现
- 在Arabidopsis thaliana基因组中，约20%（5506/27416）的基因预测编码酶催化反应
- 豌豆多芳基合成酶可从2,3-氧化鲨烯产生8种三萜骨架
- 冷杉δ-selinene合酶和γ-humulene合酶分别可产生34种和52种倍半萜骨架
- 通过酵母工程共表达青蒿素途径基因，artemisinic acid产量达100 mg/L
- 在烟草质体中共表达FPS和ADS，使amorpha-4,11-diene积累提高1000倍以上，达25 mg/kg鲜重
- 通过RNAi沉默长春花毛状根中色氨酸脱羧酶，阻断色胺合成后喂养非天然类似物，产生多种新型萜类吲哚生物碱
- 向长春花毛状根引入原核卤化酶，可产生氯代色氨酸并生成卤代生物碱
- 胡萝卜毛状根可将前手性酮acetophenone还原为对映体纯度>98%的(S)-1-phenylethanol
- 在Catharanthus roseus中超过120种萜类吲哚生物碱来自单一前体strictosidine
- 从Panax quinquefolius中分离出超过60种人参皂苷。
研究结论
植物组合生物合成（包括生物转化、突变合成、杂交、激活沉默代谢和合成生物学）具有巨大潜力，可产生新型天然产物类似物用于药物发现，但目前仍处于早期阶段，需进一步发展基因发现工具和多基因共表达技术。