Generation of the potent anti-malarial drug artemisinin in tobacco
- 作者
- Moran Farhi, Elena Marheka, Julius Ben-Ari, Anna Agamas-Dimantov, Zhuobin Liang, Vardit Zeevi, Orit Edelbaum, Ben Spitzer-Rimon, Hagai Abelovich, Betty Schwartz, Tzvi Tzfira, Alexander Vainstein
- 单位
- Institute of Plant Sciences and Genetics in Agriculture, The Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, The Hebrew University of Jerusalem, Rehovot, Israel; Department of Biochemistry, Food Science and Nutrition, The Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, The Hebrew University of Jerusalem Rehovot, Israel; Department of Molecular, Cellular and Developmental Biology, The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA; Department of Life Sciences, Ben-Gurion University of the Negev, Beer Sheva, Israel
- 杂志
- Nature Biotechnology（2011）
- DOI
- 10.1038/nbt.2054
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在异源植物系统（烟草）中实现青蒿素的完整生物合成，解决微生物系统只能生产前体而无法生产青蒿素本身的问题。
研究策略
通过单个多基因载体在烟草中同时表达来自黄花蒿的ADS、CYP71AV1、CPR、DBR2以及来自酵母的截短HMG-CoA还原酶，增强甲羟戊酸途径通量并重构青蒿素生物合成途径，同时通过将ADS靶向线粒体提高异源萜类产量。
核心内容
本研究通过单个多基因载体在烟草中同时表达黄花蒿来源的ADS、CYP71AV1、CPR、DBR2以及酵母截短HMG-CoA还原酶，重构了青蒿素完整生物合成途径，同时增强甲羟戊酸途径通量以增加前体供应。针对异源P450酶可能因定位不当而失活的问题，研究采用线粒体靶向ADS的策略，将紫穗槐二烯合酶定位至线粒体，配合CPR与CYP71AV1的共表达，显著提升了异源萜类产量。结果显示，胞质表达ADS的烟草品系青蒿素产量仅为0.48–0.94 μg/g干重，而线粒体靶向mtADS品系产量提升至5.0–6.8 μg/g干重，增幅约8倍；mtADS植物的紫穗槐二烯积累量也较ADS植物高约10倍。该研究首次在异源植物中实现了青蒿素的完整生物合成，证明多基因单载体转化结合线粒体区室化是提高异源萜类产量的有效策略，为利用高生物量作物建立可持续的青蒿素生产平台提供了可行路径。
创新点
首次在异源植物（烟草）中实现了青蒿素的完整生物合成；采用单载体多基因策略；通过线粒体靶向ADS使青蒿素产量提高约8倍；同时表达CPR与CYP71AV1以避免P450氧化失活。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 甲羟戊酸途径 | tHMG | 截短的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMG-CoA reductase） | 催化 | 来自酵母，截短且解除调控，增强前体供给 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 青蒿素生物合成途径 | ADS | 紫穗槐二烯合酶（amorphadiene synthase） | 催化 | 来自黄花蒿，催化法尼基焦磷酸环化生成amorpha-4,11-diene，有胞质定位和线粒体定位两种形式 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 青蒿素生物合成途径 | mtADS | 线粒体靶向的紫穗槐二烯合酶 | 催化 | ADS与COX4线粒体信号肽融合，靶向线粒体以提高异源萜类产量 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 紫穗槐二烯氧化酶（细胞色素P450） | 催化 | 来自黄花蒿，氧化amorpha-4,11-diene生成青蒿醇/醛 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 青蒿素生物合成途径 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 能量供给 | 来自黄花蒿，为CYP71AV1提供电子 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 青蒿醛还原酶 | 催化 | 来自黄花蒿，还原artemisinic aldehyde |
关键发现
- 胞质表达ADS的烟草品系青蒿素产量为0.48-0.94 μg/g干重（0.75
- 88
- 94
- 48），线粒体靶向mtADS品系产量为5.0-6.8 μg/g干重（5.0
- 8）；mtADS植物的amorpha-4,11-diene积累量（137-827 ng/g鲜重）比ADS植物（26-72 ng/g鲜重）高约10倍；线粒体定向使青蒿素产量提高约8倍。
研究结论
研究证明通过多基因单载体转化和线粒体区室化，可以在烟草中实现青蒿素的完整生物合成，为利用高生物量作物开发可持续的青蒿素生产平台奠定了基础。