Celastrol: A century-long journey from the isolation to the biotechnological production and the development of an antiobesity drug
- 作者
- Yong Zhao, Karel Miettinen, Sotirios C. Kampranis
- 单位
- Biochemical Engineering Group, Plant Biochemistry Section, Department of Plant and Environment Sciences, Faculty of Science, University of Copenhagen, Thorvaldsensvej 40, 1871 Frederiksberg C, Denmark
- 杂志
- Current Opinion in Plant Biology（2024）
- DOI
- 10.1016/j.pbi.2024.102615
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
celastrol 作为强效抗炎和抗肥胖剂，但其药物开发受限于植物材料供应有限、同组织中其他毒性化合物共存以及缺乏有效的化学合成方法，需阐明其生物合成途径以实现可规模化、经济高效的生物生产。
研究策略
综述了 celastrol 从发现到生物技术生产的研究历程，重点介绍其生物合成途径的完整解析（包括关键酶和非酶氧化级联），以及利用酵母细胞工厂进行从头生物合成和半生物合成的代谢工程策略。
核心内容
雷公藤中的强效抗肥胖天然产物celastrol，虽在超瘦素血症饮食诱导肥胖小鼠中可诱导高达45%的体重减轻，但传统植物提取受限于材料供应和毒性共存物，化学全合成又需至少30步而不适于商业化。该综述系统梳理了celastrol生物合成途径的完整解析，揭示了一个前所未有的七步非酶自氧化级联反应，将celastrogenic acid转化为celastrol。在此基础上，研究者将雷公藤生物合成基因导入酿酒酵母，通过引入两个拷贝的TwFRS1和七个拷贝的CYP81AM1等基因，实现了celastrogenic acid的分泌并自动氧化生成celastrol，完成从头生物合成（产量处于mg/L数量级）；同时开发了半生物合成方法，即在60°C甲醇中加热一周可将celastrogenic acid转化为celastrol，转化率超过20%。这些策略为celastrol作为抗肥胖药物提供了可扩展的供应途径，但当前产量与类似三萜（如protopanaxadiol可达15 g/L）相比仍有显著差距，未来需进一步提升至商业化水平并解决生物利用度问题。
创新点
1) 完整阐明了 celastrol 的生物合成途径，揭示一个前所未有的七步非酶自氧化级联反应完成 celastrogenic acid 到 celastrol 的转化；2) 将雷公藤生物合成基因导入工程酵母菌株，实现 celastrol 的从头生物合成；3) 开发了基于酵母发酵与简单化学转化结合的半生物合成方法，为规模化生产提供可能。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | TwFRS1 | TwFRS1 (TwOSC1) | 催化 | oxidosqualene cyclase，催化2,3-氧化鲨烯环化为friedelin，来自雷公藤，在酵母中异源表达。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | TwFRS2 | TwFRS2 | 催化 | 同TwFRS1，能催化friedelin合成，在烟草和酵母中验证。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | CYP712K1 | CYP712K1 | 催化 | 细胞色素P450，催化friedelin C-29位的三步氧化生成polyunonic acid，在烟草和酵母中验证。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | CYP712K2 | CYP712K2 | 催化 | 同CYP712K1，催化C-29氧化。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | CYP712K3 | CYP712K3 | 催化 | 同CYP712K1，催化C-29氧化。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | CYP712K4 | CYP712K4 | 催化 | 来自美登木（Maytenus ilicifolia），同源酶，催化friedelin C-29氧化。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | CYP716C52 | CYP716C52 | 催化 | 细胞色素P450，催化polyunonic acid C-2位羟基化。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | CYP81AM1 | CYP81AM1 | 催化 | 细胞色素P450，催化polyunonic acid C-24位甲基氧化为羧酸。 |
| Saccharomyces cerevisiae | celastrol biosynthesis | TwCPR1 | TwCPR1 | 能量供给 | 细胞色素P450还原酶，为P450酶提供电子。 |
| Saccharomyces cerevisiae | mevalonate pathway | tHMG2 | 截短的HMG-CoA还原酶 | 催化 | 酵母甲羟戊酸途径关键酶，过表达反馈抑制抗性版本以增加异戊二烯前体供应。 |
关键发现
- ['在超瘦素血症饮食诱导肥胖小鼠中，celastrol 诱导高达45%的体重减轻，是超过1000种天然化合物中最有效的瘦素增敏剂。', '化学全合成 celastrol 需至少30步，起始于2,3-二甲基丁二烯，不适合商业化。', '半生物合成中，celastrogenic acid 在60°C MeOH中加热一周可转化为 celastrol，转化率超过20%。', '酵母从头生产 celastrol 的产量处于 mg/L 数量级
- 类似三萜如 protopanaxadiol 可达15 g/L，ginsenoside compound K 可达5.7 g/L。', '通过引入两个拷贝的 TwFRS1 和七个拷贝的 CYP81AM 等基因，在平台酵母菌株中实现 celastrogenic acid 的分泌并自动氧化生成 celastrol。']
研究结论
celastrol 的生物合成途径已在雷公藤中完全阐明，并成功在酵母中实现从头生产及半生物合成，为其作为抗肥胖和抗炎药物的开发提供了可扩展的供应途径；未来需进一步提高产量至商业化水平，并解决药物的生物利用度和安全性问题。