Harnessing yeast subcellular compartments for the production of plant terpenoids
- 作者
- Moran Farhi, Elena Marhevka, Tania Masci, Evgeniya Marcos, Yoram Eyal, Mariana Ovadis, Hagai Abelovich, Alexander Vainstein
- 单位
- Institute of Plant Sciences and Genetics in Agriculture, The Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, Hebrew University of Jerusalem; Institute of Plant Sciences, The Volcani Center, Agricultural Research Organization; Department of Biochemistry and Food Science, The Robert H. Smith Faculty of Agriculture, Food and Environment, The Hebrew University of Jerusalem
- 杂志
- Metabolic Engineering（2011）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2011.05.001
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探索利用酵母亚细胞区室（尤其是线粒体）替代细胞质进行代谢工程，以突破植物倍半萜在酵母中产量低的瓶颈。
研究策略
增强甲羟戊酸（MVA）途径通量（表达截短且脱调控的HMG1、异源FDP合酶），并将异源倍半萜合酶（缬草烯合酶、amorphadiene合酶）及FDP合酶靶向线粒体，同时评估敲除竞争途径（BTS1、DPP1/LPP1）的影响。
核心内容
该研究系统评估了酵母亚细胞区室（尤其线粒体）替代细胞质进行倍半萜代谢工程的可行性。通过在W303-1A菌株中增强甲羟戊酸途径通量（表达截短脱调控的HMG1、异源FDP合酶），并将缬草烯合酶、amorphadiene合酶及FDP合酶靶向线粒体，同时评价敲除竞争途径基因的影响。结果显示，线粒体靶向策略使缬草烯产量较细胞质表达提高约8倍（最高1.5 mg/L），amorphadiene产量提高约20倍（约20 mg/L）。单独表达tHMG使缬草烯产量提升1.6倍，异源FDPS提高约30%，二者共表达产生协同效应使产量提高4倍（150 μg/L），在工业菌株BDXe中进一步翻倍至370 μg/L。敲除BTS1或DPP1/LPP1均无正向效果。研究表明线粒体存在可供利用的FDP池，可作为高效生产倍半萜的区室，结合细胞质与线粒体双区室协同表达为植物萜类代谢工程提供了新策略。
创新点
首次系统评估并利用酵母线粒体作为代谢工程区室生产植物倍半萜；证明线粒体存在可供利用的FDP池；通过细胞质和线粒体双区室协同表达进一步提高了产量。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae (W303-1A, BDXe) | 甲羟戊酸（MVA）途径 | tHMG (截短的HMG1) | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（催化域） | 催化 | 可溶且解除反馈抑制，增强MVA途径通量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸（MVA）途径 | AtFDPS (拟南芥FPS1S) 或 HsFDPS (人FDP合酶) | 法尼基二磷酸合酶（FDPS） | 催化 | 异源表达，增强FDP供给 |
| Saccharomyces cerevisiae | 倍半萜生物合成 | CsTPS1 (柑橘缬草烯合酶) | 缬草烯合酶 | 催化 | 催化FDP环化生成缬草烯 |
| Saccharomyces cerevisiae | 倍半萜生物合成 | ADS (青蒿 amorpha-4,11-二烯合酶) | amorpha-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FDP环化生成amorphadiene |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA途径/倍半萜生物合成 | COX4线粒体靶向信号肽融合构建（mtCsTPS1, mtADS, mtFDPS） | 含COX4线粒体靶向序列的融合蛋白 | 区室化 | 将异源酶定向至线粒体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类前体竞争途径 | BTS1 | 香叶基香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 敲除该基因以阻断FDP流向GGPP，但未提高缬草烯产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类前体竞争途径 | DPP1, LPP1 | 二酰甘油焦磷酸磷酸酶/脂质磷酸磷酸酶 | 催化 | 敲除后FDP磷酸酶活性降低，但缬草烯产量未提高（约降低10%） |
关键发现
- 通过线粒体靶向策略，缬草烯产量较细胞质表达提高约8倍（最高达1.5 mg/L），amorphadiene产量提高约20倍（约20 mg/L）
- 单独表达tHMG使缬草烯产量提高1.6倍，异源FDPS（AtFDPS或HsFDPS）提高约30%，tHMG与FDPS共表达产生协同效应，使缬草烯产量提高4倍（达150 μg/L）
- 在工业菌株BDXe中，tHMG和FDPS共表达使缬草烯产量进一步翻倍达370 μg/L
- 敲除BTS1使缬草烯产量降低一半，敲除DPP1/LPP1使产量降低约10%，均无正向效果。
研究结论
酵母线粒体可作为高效的倍半萜生产区室，靶向线粒体的FDP合酶和倍半萜合酶能显著提升缬草烯和amorphadiene的产量，结合细胞质与线粒体双区室工程为植物萜类代谢工程提供了新策略。