A rational approach to improving the biotechnological production of taxanes in plant cell cultures of Taxus spp.
- 作者
- Rosa M. Cusido, Miriam Onrubia, Ana B. Sabater-Jara, Elisabet Moyano, Mercedes Bonfill, Alain Goossens, M. Angeles Pedreño, Javier Palazon
- 单位
- Secció de Fisiologia Vegetal, Facultat de Farmacia, Universitat de Barcelona; Departament de Ciències Experimentals i de Salut, Universitat Pompeu Fabra; Laboratorio de Fisiologia Vegetal, Facultat de Biologia, Universidad de Murcia; Department of Plant Systems Biology, VIB; Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University
- 杂志
- Biotechnology Advances（2014）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2014.03.002
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
提高Taxus属植物细胞培养中紫杉醇及紫杉烷类化合物的生物技术产量，解决天然紫杉醇含量极低（约0.02%干重）、提取成本高的问题，并满足市场对紫杉醇及其衍生物的需求。
研究策略
综述理性策略：结合经验性诱导子优化（细胞系筛选、培养条件、诱导处理）与分子生物学研究，通过转录组学、代谢组学分析诱导子（MeJA、Coronatine、环糊精）处理下紫杉烷生物合成基因表达与代谢物积累的关系，并探讨表观遗传调控和代谢工程改造。
核心内容
该工作系统综述了通过理性策略提高红豆杉属植物细胞培养中紫杉醇及紫杉烷类化合物产量的研究进展。作者整合了经验性诱导子优化与分子生物学手段，利用转录组学和代谢组学分析不同诱导子处理下生物合成基因表达与代谢物积累的关系，并探讨了表观遗传调控和代谢工程改造的应用。关键结果方面，在T. baccata细胞培养中，100 μM MeJA使baccatin III和紫杉醇产量分别提高20.5倍和19倍；而环糊精与MeJA联合处理使紫杉醇产量提高31倍，且90%的紫杉醇分泌至培养基中。Coronatine在促进COI1-JAZ相互作用方面活性比JA-Ile高约1000倍，协同效果显著。转录组分析表明紫杉醇生物合成的限速步骤位于后期侧链连接和苯甲酰化反应，相关转移酶基因是理想的代谢工程靶点。此外，工程化大肠杆菌产紫杉二烯达到1 g/L，转基因红豆杉细胞过表达限速酶或调控基因亦可显著提高产量。该综述明确了诱导子协同策略与关键限速步骤，为构建高产的紫杉醇细胞培养体系指明了方向。
创新点
系统总结了Coronatine和环糊精与MeJA联合的协同诱导效应；利用转录组学揭示紫杉醇生物合成的限速步骤（尤其最后两个转移酶）和ABC转运蛋白在紫杉醇外排中的作用；提出通过表观遗传调控（如DNA甲基化）和代谢工程（过表达限速酶或转录因子）提高产量的新方向。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Taxus baccata 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | txs | 紫杉二烯合酶 (taxadiene synthase) | 催化 | 催化GGPP形成taxadiene，紫杉醇生物合成第一步；MeJA处理后表达显著升高 |
| Taxus baccata 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | DBAT | 10-脱乙酰巴卡亭III-10β-O-乙酰转移酶 | 催化 | 催化10-DABIII生成巴卡亭III；MeJA处理后表达较低，但BIII积累高，可能非限速 |
| Taxus baccata 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | BAPT | 巴卡亭III-3-氨基-13-苯基丙醇酰CoA转移酶 | 催化 | 催化侧链连接到BIII；表达低，可能是限速步骤 |
| Taxus baccata 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | DBTNTB | 3'-N-脱苯甲酰-2'-脱氧紫杉醇-N-苯甲酰转移酶 | 催化 | 紫杉醇生物合成最后一步的苯甲酰化；低表达导致紫杉醇产量低于BIII |
| Taxus baccata 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | PAM | 苯丙氨酸氨基变位酶 | 催化 | 催化苯丙氨酸→β-苯丙氨酸，提供侧链前体；MeJA处理后表达明显 |
| Taxus media 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | taxane hydroxylases (TOHs) | 紫杉烷羟化酶（细胞色素P450） | 催化 | 催化taxane环的羟基化；MeJA和Coronatine处理后转录积累显著 |
| Taxus media 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | ABC transporter | ABC转运蛋白 | 转运 | 参与紫杉醇外排，CD+MeJA处理时表达显著增加，促进紫杉醇分泌到培养基 |
| Taxus media 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | TcWRKY1 | TcWRKY1转录因子 | 调控 | 来自T. chinensis，与DBAT基因启动子W-box结合，正调控DBAT表达 |
| Taxus cuspidata 细胞培养 | 紫杉醇生物合成 | TcAP2 | TcAP2转录因子 | 调控 | 与C. roseus萜类吲哚生物碱基因启动子的JERE元件结合，对紫杉醇调控未研究 |
| Taxus media 转基因细胞 | 紫杉醇生物合成 | taxoid 14β-hydroxylase (antisense) | 紫杉烷14β-羟化酶 | 催化 | 反义抑制该酶可阻断C-14氧代紫杉烷侧路，可能增加紫杉醇前体供应 |
| Taxus chinensis 转基因细胞 | ABA生物合成 | 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase | 9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶 | 催化 | ABA合成限速酶；过表达增加ABA和紫杉醇积累，臭氧诱导紫杉烷合成依赖ABA信号 |
| Escherichia coli 工程菌 | 萜类前体生物合成/紫杉二烯合成 | txs, taxadiene-5-hydroxylase, 内源IPP/DMAPP途径基因 | 紫杉二烯合酶、紫杉二烯-5-羟化酶 | 催化 | 工程菌产taxadiene达1 g/L，taxadiene-5-ol达60 mg/L，可作为紫杉醇半合成前体 |
关键发现
- 在T. baccata细胞培养中，100 μM MeJA使baccatin III和紫杉醇产量分别提高20.5倍和19倍
- Coronatine处理T. media细胞使baccatin III和紫杉醇分别提高22.2倍和9.2倍，而MeJA分别提高4.6倍和2.5倍
- CD+MeJA联合处理使紫杉醇产量提高31倍、baccatin III提高10倍，且90%紫杉醇分泌到培养基（MeJA单独为55%，对照25%）
- Coronatine在促进COI1-JAZ相互作用方面比JA-Ile活性高约1000倍
- 首例MeJA处理T. baccata细胞使紫杉烷产量提高超过120倍
- 工程化E. coli通过过表达相关基因产紫杉二烯达1 g/L、紫杉二烯-5-醇达60 mg/L
- 在T. media中过表达紫杉二烯合酶（txs）的细胞系经MeJA诱导后TXS活性和紫杉烷产量显著提高
- 转9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶基因的T. chinensis细胞系ABA和紫杉醇积累增加。
研究结论
诱导子（MeJA、Coronatine、环糊精）单独或联合使用可显著激活紫杉醇生物合成基因的表达，提高紫杉烷产量；转录组和代谢组分析表明紫杉醇生物合成主要在后期（尤其是侧链连接和苯甲酰化）步骤受限制，这些基因是代谢工程的理想靶点；环糊精通过形成包合物促进紫杉醇外排，有利于建立连续生产系统；未来可通过过表达限速酶或调控基因实现高产的Taxus细胞系。