Phytocannabinoids: Origins and Biosynthesis
- 作者
- Thies Gülck, Birger Lindberg Møller
- 杂志
- Trends in Plant Science（2020）
- DOI
- 10.1016/j.tplants.2020.05.005
- 所属领域
- 合成生物学/代谢工程
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解决的核心问题
阐明植物大麻素在多个物种中的生物合成途径，为利用合成生物学手段异源生产具有药用价值的天然及非天然大麻素奠定基础。
研究策略
系统综述Cannabis sativa、Rhododendron dauricum和Radula marginata等物种中植物大麻素的结构分类、生物合成酶及途径，并探讨基于模块化组合生物学的合成生物学生产策略。
研究路线图
核心内容
植物大麻素并非大麻属独有，该综述系统比较了 Cannabis sativa、Rhododendron dauricum 和 Radula marginata 等物种中的生物合成途径，揭示其高度模块化特征：各物种共享由脂肪酸起始、聚酮合酶（如 Olivetol synthase）与环化酶生成酚酸前体，再经芳香异戊烯基转移酶（如 RdPT1）及氧化环化酶（THCAS、CBDAS 等）修饰的核心逻辑。文中列举了异源生产案例，在酵母中从半乳糖合成大麻素，获得 CBGA 1.4 mg/L、Δ9-THCA 2.3 mg/L、CBDA 8.0 mg/L 等产量；Rhododendron 来源的法尼基转移酶 RdPT1 对 FPP 的活性分别是对 GPP 和 GGPP 活性的 13% 和 2.5%，提示底物选择性是拓宽产物谱的关键改造靶点。此外，杜鹃花中分离的 DCA 抗 HIV 活性 EC50 为 5.67 ng/ml（治疗指数 3710）。作者提出利用模块化组合生物学，将不同来源的酶按需组装并借助糖基化、卤化等衍生化手段，可在异源宿主中规模化生产天然及非天然大麻素，为开发新型药物提供可行路径。
创新点
1. 首次全面比较多个物种来源的植物大麻素生物合成途径；2. 提出利用芳香异戊烯基转移酶的模块化组合生物学生产新-天然大麻素；3. 揭示天然低共熔溶剂(NADES)在大麻素储存和酶活性维持中的潜在作用；4. 列举通过糖基化、卤化、点击化学等衍生化方法拓展大麻素多样性的前景。
研究对象（23）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cannabis sativa | Cannabinoid precursor biosynthesis | AAE1 | AAE1 (acyl-activating enzyme 1) | 催化 | 将己酸转化为己酰辅酶A，为polyketide途径提供前体 |
| Cannabis sativa | Polyketide biosynthesis | TKS | Olivetol synthase (OLS) | 催化 | Type III polyketide synthase，催化hexanoyl-CoA与丙二酰辅酶A缩合生成橄榄醇酸前体 |
| Cannabis sativa | Polyketide biosynthesis | OAC | Olivetolic acid cyclase | 催化 | 催化橄榄醇酸环化形成 |
| Cannabis sativa | Cannabinoid biosynthesis | CBGAS | Cannabigerolic acid synthase | 催化 | 芳香异戊烯基转移酶，将OA与GPP缩合生成CBGA；定位在质体 |
| Cannabis sativa | Cannabinoid biosynthesis | THCAS | Δ9-Tetrahydrocannabinolic acid synthase | 催化 | 黄素蛋白氧化环化酶，将CBGA转化为Δ9-THCA，分泌至细胞外树脂腔 |
| Cannabis sativa | Cannabinoid biosynthesis | CBDAS | Cannabidiolic acid synthase | 催化 | 氧化环化CBGA生成CBDA |
| Cannabis sativa | Cannabinoid biosynthesis | CBCAS | Cannabichromenic acid synthase | 催化 | 催化CBGA转化为CBCA，推测为FAD依赖的氧化环化酶 |
| Cannabis sativa | Polyketide biosynthesis | CHIL | Chalcone isomerase-like protein | 调控 | polyketide结合蛋白，共表达可提高异源生产中的产量 |
| Rhododendron dauricum | Polyketide biosynthesis | ORS | Orcinol synthase | 催化 | Type III PKS，利用乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A合成OSA（orcinol和orsellinic acid） |
| Rhododendron dauricum | Cannabinoid biosynthesis | RdPT1 | Aromatic farnesyltransferase | 催化 | 定位在质体，催化OSA法尼基化生成GFA；对GPP和GGPP的活性分别为FPP活性的13%和2.5% |
| Rhododendron dauricum | Cannabinoid biosynthesis | DCAS | Daurichromenic acid synthase | 催化 | 分泌型氧化环化酶，催化GFA氧化环化生成DCA，同时产生H2O2 |
| Radula marginata | Stilbene acid biosynthesis | RmSAS | Stilbene acid synthase | 催化 | 推定的type III PKS，参与perrottetinenic acid合成 |
| Radula marginata | Phenylpropanoid metabolism | DBR | Double-bond reductase | 催化 | 将肉桂酰辅酶A还原为二氢肉桂酰辅酶A |
| Radula marginata | Cannabinoid biosynthesis | RmaPT | Aromatic prenyltransferase | 催化 | 推测催化bibenzyl前体的异戊烯基化 |
| Radula marginata | Cannabinoid biosynthesis | PAS | Perrottetinenic acid synthase | 催化 | 推测的氧化环化酶，催化环化形成perrottetinenic acid |
| Radula marginata | Stilbene acid biosynthesis | DHAC | Dihydrostilbene acid cyclase | 催化 | 推定的tetraketide cyclase，参与环化 |
| Stachybotrys bisbyi PYH05-7 | Meroterpenoid biosynthesis | StbA | Type I polyketide synthase | 催化 | 延伸乙酰辅酶A并环化形成OSA核心 |
| Stachybotrys bisbyi PYH05-7 | Meroterpenoid biosynthesis | StbC | UbiA prenyltransferase | 催化 | 催化GFA形成 |
| Stachybotrys bisbyi PYH05-7 | Meroterpenoid biosynthesis | StbB | Reductase | 催化 | 次级修饰中的还原酶 |
| Fusarium sp. | Halogenation | AscD | Halogenase | 催化 | 催化芳香环氯代，形成5-氯DCA |
| Homo sapiens | Cannabinoid metabolism | CYP3A4 | Cytochrome P450 3A4 | 催化 | 人类肝脏单加氧酶，参与大麻素代谢 |
| Stevia rebaudiana | Glycosylation | UGT71E1 | UDP-glycosyltransferase 71E1 | 催化 | 用于大麻素O-糖基化修饰 |
| Oryza sativa | Glycosylation | UGT5 | UDP-glycosyltransferase 5 | 催化 | 用于大麻素O-糖基化修饰 |
关键发现
- 本文综述了植物大麻素在Cannabis sativa、Rhododendron dauricum和Radula marginata等物种中的生物合成途径。在酵母中从半乳糖生产大麻素，获得CBGA
- 4 mg/L、Δ9-THCA
- 3 mg/L、CBDA
- 0 mg/L、THCVA
- 8 mg/L和CBDVA
- 006 mg/L。DCA显示抗HIV活性，EC50为5.67 ng/ml（治疗指数3710），Rhododaurichromanic acid A的EC50为370 ng/ml（治疗指数92）。Δ9-THC和CBD对革兰氏阳性菌（葡萄球菌和链球菌）的杀菌浓度为1-5 μg/ml。Rhododendron dauricum的法尼基转移酶RdPT1对FPP的活性分别是对GPP和GGPP活性的13%和2.5%。此外，CBG对CB1和CB2的亲和力比Δ9-THC低约500倍。
研究结论
植物大麻素并非Cannabis sativa独有，其生物合成途径具有高度模块化特征。结合组合生物化学和蛋白质工程，可在异源宿主中实现大麻素及其衍生物的规模化生产，为开发新型药物提供可行途径。