The potential of the mevalonate pathway for enhanced isoprenoid production
- 作者
- Pan Liao, Andréa Hemmerlin, Thomas J. Bach, Mee-Len Chye
- 单位
- School of Biological Sciences, The University of Hong Kong, Pokfulam Road, Hong Kong, China; Centre National de la Recherche Scientifique, UPR 2357, Institut de Biologie Moléculaire des Plantes, Université de Strasbourg, 67083 Strasbourg, France
- 杂志
- Biotechnology Advances（2016）
- DOI
- 10.1016/j.biotechadv.2016.03.005
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
综述甲羟戊酸（MVA）通路及其与MEP通路的相互作用，探讨如何通过代谢工程改造MVA通路来提高植物和微生物中异戊二烯类化合物（如植物甾醇、青蒿素、丹参酮等）的产量。
研究策略
系统梳理MVA通路中每个酶（AACT、HMGS、HMGR、MK、PMK、PPMD、IPK、IDI、FPPS）的功能与调控；总结在植物、大肠杆菌和酿酒酵母中过表达关键酶（如截短HMGR、突变HMGS S359A）、多基因共表达以及利用MVA-MEP通路串扰等工程策略。
核心内容
该综述系统梳理了甲羟戊酸（MVA）通路中每个酶的功能与调控机制，并总结了在植物和微生物中通过代谢工程改造该通路以提高异戊二烯类化合物产量的策略。作者重点讨论了过表达或突变关键酶（如截短的HMGR、HMGS的S359A突变）、多基因共表达以及利用MVA与MEP通路之间的代谢串扰等工程手段。关键结果显示，突变BjHMGS1 S359A可使体外酶活比野生型提高约10倍，在拟南芥中过表达该突变体使总甾醇含量提高22.3%~26.8%；过表达仓鼠HMGR使烟草总甾醇增加2倍、环阿屯醇增加超过100倍；在烟草质体中表达酵母完整MVA通路可使甲羟戊酸积累达49 μmol/g，角鲨烯增加10倍。此外，MVA与MEP通路之间的前体交换可达80%~100%，提示通路间的协同调控潜力。该综述表明，MVA通路是提高异戊二烯类化合物产量的重要工程靶点，利用关键酶改造和代谢串扰结合合成生物学工具，可显著提升植物甾醇、青蒿素、丹参酮等产物的积累水平。
创新点
提出IPK介导的MVA-MEP通路新连接；突变HMGS S359A可显著提高甾醇含量和植物生长/种子产量；利用基因表达-代谢物相关性分析预测通量瓶颈（如SMO1、DWF1）并指导共过表达；通过质体转化将酵母完整MVA通路导入植物以积累甲羟戊酸和类异戊二烯。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 | MVA pathway | BjHMGS1 (S359A) | HMG-CoA合酶 (HMGS) | 催化 | 过表达突变体使总甾醇含量提高22.3%~26.8%，并增强抗逆性 |
| 烟草 | MVA pathway | BjHMGS1 (S359A) | HMG-CoA合酶 (HMGS) | 催化 | 过表达提高甾醇含量、生长和种子产量 |
| 烟草 | MVA pathway | 仓鼠HMGR | HMG-CoA还原酶 (HMGR) | 催化 | 总甾醇增加2倍，环阿屯醇>100倍 |
| 烟草 | MVA pathway | HbHMGR/t-HbHMGR | HMG-CoA还原酶 (HMGR) | 催化 | 总植物甾醇增加2~6倍 |
| 薰衣草 (Lavandula latifolia) | MVA pathway | At t-HMGR1 | HMG-CoA还原酶 (HMGR) | 催化 | 植物甾醇增加1.8~1.9倍，精油成分增加1.8~2.1倍 |
| 番茄 | MVA pathway | AtHMGR1 | HMG-CoA还原酶 (HMGR) | 催化 | 果实总甾醇增加2.4倍 |
| 丹参毛状根 | MVA pathway | SmHMGR + DXR | HMG-CoA还原酶/1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 总丹参酮达3.3 mg/g（对照0.5~0.6 mg/g） |
| 青蒿 | MVA pathway | CrHMGR | HMG-CoA还原酶 (HMGR) | 催化 | 青蒿素含量增加38.9% |
| 青蒿 | MVA pathway | CrHMGR + ADS | HMG-CoA还原酶/紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 青蒿素增加7.7倍（1.7 mg/g DW） |
| 本氏烟 | MVA pathway | t-HMGR + FPPS + CYP71AV1 | HMG-CoA还原酶/法尼基二磷酸合酶/紫穗槐二烯氧化酶 | 催化 | 积累青蒿酸-12-β-二葡萄糖苷39.5 mg/kg |
| 烟草质体 | MVA pathway | 酿酒酵母MVA通路基因 | MVA通路酶 | 催化 | 甲羟戊酸49 μmol/g，角鲨烯10倍，甾醇2倍，三酰甘油1.2倍，类胡萝卜素1.4倍 |
| 烟草 | MVA pathway | ERG12 | 甲羟戊酸激酶 (MK) | 催化 | 过表达使MK活性增加约60%，促进生长和发育 |
| 植物 | MVA pathway | AACT1/AACT2 | 乙酰乙酰-CoA硫解酶 (AACT) | 催化 | AACT2对MVA衍生物合成必需，AACT1参与脂肪酸β-氧化 |
| 植物 | MVA pathway | MK/PMK/PPMD | 甲羟戊酸激酶/磷酸甲羟戊酸激酶/二磷酸甲羟戊酸脱羧酶 | 催化 | 催化MVA两步磷酸化和脱羧生成IPP |
| 植物 | MVA pathway | IPK | 异戊烯基磷酸激酶 | 催化 | 调节IP/IPP和DMAP/DMAPP比例，连接MVA和MEP通路 |
| 植物 | MVA pathway | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 催化IPP与DMAPP互变，双突变导致矮小和雄性不育 |
| 植物 | MVA pathway | FPPS | 法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 催化FPP合成，过量表达影响细胞分裂素稳态 |
| 植物 | MVA pathway | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化FPP转化为角鲨烯，甾醇/三萜生物合成关键 |
| 拟南芥 | MVA pathway | SUD1 | 假定E3泛素连接酶 | 调控 | 转录后水平正调控HMGR活性 |
关键发现
- 突变BjHMGS1 S359A的体外酶活比野生型高约10倍
- 在拟南芥中过表达S359A使总甾醇含量提高22.3%~26.8%，在烟草中提高18.7%~22.9%
- 过表达仓鼠HMGR使烟草总甾醇增加2倍、环阿屯醇增加>100倍
- 过表达巴西橡胶树HMGR使烟草总植物甾醇增加2~6倍
- 过表达拟南芥t-HMGR1使Lavandula latifolia植物甾醇增加1.8~1.9倍、精油成分增加1.8~2.1倍
- 番茄中过表达AtHMGR1使果实总甾醇增加2.4倍
- 丹参中过表达HMGR使总丹参酮达0.8~1.5 mg/g（对照0.5~0.6 mg/g），HMGR+DXR共表达达3.3 mg/g
- 青蒿中过表达CrHMGR使青蒿素增加38.9%，CrHMGR+ADS共表达使青蒿素增加7.7倍（1.7 mg/g DW）
- 在烟草质体中表达酵母完整MVA通路使甲羟戊酸达49 μmol/g、角鲨烯增加10倍、甾醇增加2倍、三酰甘油增加1.2倍、类胡萝卜素增加1.4倍
- MVA与MEP通路串扰中，质体到胞质前体交换可达100%，胞质到质体可达80%。
研究结论
MVA通路是提高异戊二烯类化合物产量的重要工程靶点，通过过表达/突变关键酶（特别是HMGS和HMGR）或引入异源MVA通路可显著提升植物甾醇、青蒿素、丹参酮等产物积累；MVA与MEP通路间存在广泛的代谢串扰，利用这种串扰以及IPK等新靶点，结合合成生物学工具，可进一步优化异戊二烯代谢工程。