Production of high-value compounds: carotenoids and vitamin E
- 作者
- Joseph Hirschberg
- 单位
- Department of Genetics, The Life Sciences Institute, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, 91904 Israel
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（1999）
- DOI
- 10.1016/0958-1669(99)80033-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用基因工程手段改造植物中类胡萝卜素（维生素A前体）和生育酚（维生素E）的生物合成途径，以提高植物食品的营养价值。
研究策略
解析类胡萝卜素和生育酚的生物合成途径及关键酶基因，通过转基因技术调控关键酶的表达，改变目标化合物的含量和组成。
核心内容
该研究系统综述了通过代谢工程改造植物类胡萝卜素和维生素E生物合成途径以提升营养价值的研究进展。在类胡萝卜素方面，研究者通过转基因手段调控关键酶基因，包括在番茄中表达细菌八氢番茄红素脱饱和酶使β-胡萝卜素含量提高30%，导入藻类crtO基因使Synechococcus PCC7942和烟草成功合成具有天然手性的虾青素，以及利用病毒载体在烟草中表达辣椒红素合成酶使叶片辣椒红素最高达总类胡萝卜素的36%。在维生素E方面，过表达拟南芥种子中γ-生育酚甲基转移酶使α-生育酚水平较野生型提高80倍，维生素E活性提高9倍，但总生育酚水平不变。研究表明，通过途径重新分流已能成功获得虾青素、辣椒红素等高价值化合物，但仅靠上调表达提高目标化合物总浓度的尝试成效有限，未来需更精细的代谢调控策略。
创新点
['首次在植物组织中通过过表达γ-TMT实现了维生素E活性的显著提高（拟南芥种子α-生育酚含量提高80倍，维生素E活性提高9倍）', '将藻类crtO基因导入Synechococcus PCC7942和烟草，成功合成了具有天然手性的虾青素', '通过病毒载体在烟草中表达辣椒红素合成酶，获得了高积累辣椒红素的转基因植株', '在水稻胚乳中表达水仙Psy实现了八氢番茄红素的合成，为β-胡萝卜素生物合成奠定了基础']
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | β-C-4-加氧酶（酮醇酶） | 催化 | 来自Haematococcus pluvialis的crtO基因在大肠杆菌中表达，催化β-胡萝卜素转化为角黄素 |
| Synechococcus PCC7942 | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | β-C-4-加氧酶（酮醇酶） | 催化 | 表达藻类crtO后，蓝藻能产生虾青素及其他酮类胡萝卜素，证明与内源β-胡萝卜素羟化酶协同作用 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 类胡萝卜素生物合成 | crtO | β-C-4-加氧酶（酮醇酶） | 催化 | 受调控表达后，花蜜组织中积累高浓度酮类胡萝卜素（含虾青素），花颜色从黄色变为红色 |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | 类胡萝卜素生物合成 | Ccs | 辣椒红素-辣椒玉红素合成酶 | 催化 | 通过病毒RNA载体高表达Ccs，叶片积累辣椒红素（最高占总类胡萝卜素36%），但引起类囊体膜扭曲和基粒堆叠减少 |
| 烟草（Nicotiana benthamiana） | 类胡萝卜素生物合成 | Ccs | 辣椒红素-辣椒玉红素合成酶 | 催化 | 病毒来源表达，非天然类胡萝卜素整合到叶绿体中 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | Psy | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 组成型表达果实Psy cDNA导致矮化（赤霉素途径被分流），果实早熟但成熟果实番茄红素最终水平低于对照；反义沉默Psy抑制类胡萝卜素合成 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | crtI (来自欧文氏菌) | 八氢番茄红素脱饱和酶（细菌型） | 催化 | 表达CRTI使成熟果实β-胡萝卜素提高30%，番茄红素略降，总类胡萝卜素适度增加 |
| 水稻（Oryza sativa） | 类胡萝卜素生物合成 | Psy (来自水仙) | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 在胚乳特异性启动子调控下，转基因水稻胚乳中积累低水平八氢番茄红素，是建立β-胡萝卜素生物合成的第一步 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 生育酚（维生素E）生物合成 | γ-TMT (AtG-TMT) | γ-生育酚甲基转移酶 | 催化 | 种子特异性启动子（胡萝卜DC3）驱动过表达，使种子中α-生育酚占总生育酚的85-95%，α-生育酚水平提高80倍，维生素E活性提高9倍 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 生育酚（维生素E）生物合成 | PDS1 | 对羟苯基丙酮酸双加氧酶（HPPDase） | 催化 | PDS1突变导致生育酚和质体醌生物合成受阻，证明该步骤为必需 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 生育酚（维生素E）生物合成 | PDS2 | 植基/异戊烯基转移酶 | 催化 | 催化HGA与植基焦磷酸结合，也参与质体醌途径的异戊烯化反应 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成 | Ggps | 牻牛儿基牻牛儿基二磷酸合酶 | 催化 | 拟南芥中存在五种Ggps异构体，功能可能冗余 |
| 拟南芥（Arabidopsis thaliana） | 类胡萝卜素生物合成 | Ipi | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 催化IDP异构化为DMADP，在酵母和细菌中是限速步骤，植物中可能类似 |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | 类胡萝卜素生物合成 | CrtL-b, CrtL-e | 番茄红素β-环化酶、番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 果实成熟时这两个环化酶基因表达被关闭，导致番茄红素积累 |
关键发现
- ['全球有超过1.24亿儿童维生素A缺乏，改善维生素A营养可每年预防发展中国家130万至250万婴幼儿死亡', '番茄果实成熟期间总类胡萝卜素浓度增加10-15倍，其中番茄红素浓度增加500倍', '表达细菌CRTI的转基因番茄果实中β-胡萝卜素含量提高30%，总类胡萝卜素略有增加', '通过病毒载体在烟草中表达辣椒红素-辣椒玉红素合成酶，叶片中辣椒红素最高达到总类胡萝卜素的36%', "表达Haematococcus pluvialis的crtO基因使Synechococcus PCC7942产生虾青素及其他酮类胡萝卜素，且产物具有天然(3S,3'S)手性", '拟南芥种子总生育酚约370 ng/mg，其中97%为γ-生育酚
- 过表达γ-TMT后，85-95%的生育酚转化为α-生育酚，α-生育酚水平比野生型提高80倍，维生素E活性提高9倍，但总生育酚水平不变', '植物叶片生育酚含量通常为10-50 μg/g鲜重，种子中可达500-2000 μg/g鲜重']
研究结论
对类胡萝卜素和生育酚生物合成途径的解析使得转基因操作成为可能。通过修饰现有途径已成功改变了生育酚的组成以及将类胡萝卜素途径分流至新的高价值化合物（如虾青素、辣椒红素），但通过上调表达提高目标化合物浓度的尝试迄今仅取得有限成果。