Production and engineering of terpenoids in plant cell culture
- 作者
- Susan C Roberts
- 杂志
- Nature Chemical Biology（2007）
- DOI
- 10.1038/nchembio.2007.8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
植物细胞培养生产萜类化合物时产量低、变异大，且许多次级代谢物途径尚未完全阐明，导致大规模商业化供应困难。
研究策略
系统综述萜类生物合成的MVA和MEP途径、植物细胞培养技术、途径解析方法（如诱发、基因沉默、过表达、抑制剂研究）以及代谢工程策略（增强前体供应、改造下游途径、利用转录因子调控等）。
核心内容
该综述系统梳理了植物细胞培养生产萜类化合物的代谢工程进展，聚焦于MVA与MEP两条前体合成途径的改造策略。作者总结了通过途径解析手段（如诱发、基因沉默及过表达）识别限速步骤的研究路径，并比较了增强前体供应、改造下游合成酶及利用转录因子调控等不同工程方案的成效。关键结果包括：过表达DXR可使薄荷精油产量提高40–60%；棉花FPPS在青蒿中的过表达使青蒿素产量提升3–4倍。此外，文章指出紫杉醇生产需消耗约10,000公斤干树皮才能获取1公斤产品，凸显了细胞培养替代植物来源的必要性。作者同时警示单一酶操作可能引发不可预见的代谢副作用，强调多基因协同调控与系统生物学整合是未来方向。该工作表明植物细胞培养结合途径工程已成为供应高价值萜类及发现新催化基因的有效平台，其中紫杉醇的商业化生产是成功范式。
创新点
总结了紫杉醇等药用萜类的代谢工程进展，强调了途径中限速步骤的识别和系统生物学方法的应用，并指出单一酶操作可能带来不可预测的副作用，提出转录因子和组学整合是未来方向。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus spp. 细胞培养 | 紫杉醇生物合成途径 | TS | Taxadiene synthase | 催化 | 催化GGPP形成taxa-4(5),11(12)-diene，紫杉烷生物合成的第一个关键步骤。 |
| Taxus spp. 细胞培养 | 紫杉醇生物合成途径 | CYP450 | Cytochrome P450 hydroxylase | 催化 | 参与紫杉烷骨架的多个羟基化修饰。 |
| Taxus spp. 细胞培养 | 紫杉醇生物合成途径 | CYP450 reductase | Cytochrome P450 reductase | 催化 | 为CYP450提供电子，共表达可显著增强羟基化活性。 |
| 薄荷（Mentha）细胞 | MEP途径 | DXR | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 过表达使单萜精油产量提高40-60%。 |
| 青蒿（Artemisia annua）发根 | MVA途径 / 青蒿素生物合成途径 | FPPS | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 过表达棉花FPPS使青蒿素产量提高3-4倍。 |
| 烟草或番茄 | 青蒿素前体生物合成途径 | ADS; FPPS | Amorpha-4,11-diene synthase; Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 共表达并靶向质体显著增加amorpha-4,11-diene积累。 |
| 拟南芥 / 油棕 / 薰衣草 | MEP途径 | DXS | 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase | 催化 | 过表达与精油、银杏内酯、类胡萝卜素等积累增加相关。 |
| 番茄 | 类胡萝卜素生物合成途径 | PSY | Phytoene synthase | 催化 | 过表达导致矮化，表明通量从赤霉素途径转移。 |
| 颠茄（Atropa belladonna） | 托品烷生物碱生物合成途径 | H6H | Hyoscyamine-6β-hydroxylase | 催化 | 导入后诱导东莨菪碱合成。 |
| 烟草 / 番茄 | MVA途径 | HMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase | 催化 | 过表达增加甾醇积累，受茉莉酸甲酯诱导。 |
| 红豆杉（Taxus media） | MEP途径 | MCS | 2-C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase | 催化 | MEP途径第五个酶，已克隆并鉴定。 |
| 拟南芥 | MEP途径 | IDI | Isopentenyl diphosphate isomerase | 催化 | 沉默导致色素减少80%，说明其必要性。 |
| 烟草 | MEP途径 | HDS; IDS | 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate synthase; Isopentenyl diphosphate:dimethylallyl diphosphate synthase | 催化 | 沉默后叶片叶绿素和类胡萝卜素低于对照的4%。 |
| Nicotiana plumbaginifolia 细胞培养 | 防御萜烯分泌途径 | ABC transporter | ATP-binding cassette transporter | 转运 | 参与防御性萜烯的跨膜分泌。 |
| 长春花（Catharanthus roseus）细胞培养 | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成途径 | ORCA3 | ORCA3 transcription factor | 调控 | 茉莉酸响应转录因子，调控TIA途径基因表达。 |
关键发现
- 已发现超过40,000种萜类化合物
- 紫杉醇生产需约10,000 kg干树皮换取1 kg产品
- 过表达DXR使薄荷精油产量提高40-60%
- 棉花FPPS在青蒿中过表达使青蒿素产量提高3-4倍
- ADS和FPPS靶向质体可显著增加amorpha-4,11-diene积累
- 番茄中表达taxadiene synthase的产量比拟南芥高600倍以上
- 沉默HDS和IDS导致叶片叶绿素和类胡萝卜素含量低于对照的4%
- 沉默IDI使色素减少80%
- Taxus细胞系间紫杉醇积累可相差10倍
- 已有超过350种taxanes被分离，单一培养中同时积累超过30种taxanes。
研究结论
植物细胞培养是供应高价值萜类化合物和发现新代谢基因的有效平台。尽管代谢工程面临途径复杂性和调控难题，但通过途径解析、系统生物学和基因操作已取得显著进展，紫杉醇的商业化生产是成功案例。