Genetic engineering of carotenoid formation in tomato fruit and the potential application of systems and synthetic biology approaches
- 作者
- Paul D. Fraser, Eugenia M.A. Enfissi, Peter M. Bramley
- 单位
- Systems and Synthetic Biology Group, School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London, Egham Hill, Egham TW200EX, UK
- 杂志
- Archives of Biochemistry and Biophysics（2008）
- DOI
- 10.1016/j.abb.2008.10.009
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
番茄果实类胡萝卜素含量的遗传工程改良受到内源代谢调控机制（如反馈抑制、前馈调控、底物通道化等）的抵抗，导致工程策略的可预测性和效率低下。
研究策略
综述番茄果实类胡萝卜素生物合成途径及其遗传工程改造的进展，分析实验观察到的内源调控机制，并评估系统与合成生物学方法（如多组学整合、代谢组学、数学建模）在提高工程可预测性和效率方面的潜力。
核心内容
该综述系统梳理了番茄果实类胡萝卜素生物合成途径的遗传工程改造进展，并剖析了实验中所遇到的内源代谢调控障碍。作者归纳了多种影响工程效果的“隐性”机制，包括反馈抑制、前馈调控、底物通道化以及代谢和细胞扰动等，这些机制使外源基因过表达的效果难以预测。文中列举了多个代表性改造案例：过表达细菌八氢番茄红素合成酶（CrtB）使类胡萝卜素总量增加达4倍；过表达来自番茄的LCY-B使β-胡萝卜素增加31.7倍但番茄红素降低；RNAi沉默DET-1则使β-胡萝卜素和番茄红素分别增加达10倍和4倍。文章还指出，组成型过表达内源Psy-1可能引发共抑制和矮化等副作用，凸显了精细调控的必要性。在此基础上，作者提出将多组学整合、代谢组学和数学建模等系统与合成生物学方法引入植物代谢工程，以增强工程策略的可预测性和标准化，但同时也指出公众对转基因作物的接受度仍是商业化的重要制约因素。
创新点
系统总结了番茄果实类胡萝卜素工程中发现的多种'隐性'内源调控机制（如反馈抑制、前馈调控、底物通道化、代谢和细胞扰动），并提出了将系统/合成生物学方法（如代谢组学、转录组学、数学建模）引入植物代谢工程以克服这些限制的潜在工作流程。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成（质体异戊二烯途径） | Dxs | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，过表达使成熟果实类胡萝卜素含量增加近2倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtB | 八氢番茄红素合酶（细菌） | 催化 | 来自Erwinia uredovora，果实特异表达使类胡萝卜素（八氢番茄红素、番茄红素、β-胡萝卜素）增加高达4倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY-1 | 八氢番茄红素合酶（番茄） | 催化 | 番茄内源基因，过表达使β-胡萝卜素增加1.5倍，但组成型表达导致共抑制、矮化等副作用 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtI | 八氢番茄红素脱氢酶（细菌） | 催化 | 来自Erwinia uredovora，过表达使β-胡萝卜素增加高达3倍，但减少番茄红素和八氢番茄红素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-B | β-番茄红素环化酶（拟南芥） | 催化 | 来自拟南芥，过表达使β-胡萝卜素增加7倍且不影响番茄红素水平 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-B | β-番茄红素环化酶（番茄） | 催化 | 来自番茄，过表达使β-胡萝卜素增加31.7倍但降低番茄红素；反义表达使番茄红素增加1.3倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | CYC-B | β-番茄红素环化酶（番茄） | 催化 | 番茄内源，果实成熟特异表达，过表达增加β-胡萝卜素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | CrtY | β-番茄红素环化酶（细菌） | 催化 | 来自Erwinia herbicola，通过质体转化使β-胡萝卜素增加4倍而不降低番茄红素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成（叶黄素分支） | CrtW | 4,4'-β-加氧酶（酮化酶） | 催化 | 来自海洋细菌Paracoccus，与CrtZ共同表达产生酮类胡萝卜素，在果实中低水平积累 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成（叶黄素分支） | CrtZ | 3,3'-β-羟化酶 | 催化 | 来自海洋细菌Paracoccus，与CrtW共同表达产生酮类胡萝卜素 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 光信号转导（影响类胡萝卜素积累） | CRY-2 | 隐花色素2（蓝光光受体） | 调控 | 番茄隐花色素过量表达使果实类胡萝卜素含量增加2倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 光信号转导（影响类胡萝卜素积累） | DET-1 | DE-ETIOLATED-1 | 调控 | RNAi沉默使β-胡萝卜素增加高达10倍，番茄红素增加高达4倍，并增加类黄酮含量 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 光信号转导（影响类胡萝卜素积累） | COP1LIKE | COP1类似蛋白 | 调控 | 组成型过表达使类胡萝卜素含量接近2倍增加 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 光信号转导（影响类胡萝卜素积累） | CUL4 | Cullin 4（DDB1互作蛋白） | 调控 | 果实特异RNAi使类胡萝卜素含量增加2倍 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 多胺代谢（间接影响类胡萝卜素） | ySAMdc | 酵母S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶 | 催化 | 果实特异表达使番茄红素含量增加3倍，通过影响多胺途径延缓果实成熟 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素储存（质体脂质体） | FIBRILLIN | 纤维蛋白（脂质相关蛋白） | 区室化 | 番茄来源，过表达增加类胡萝卜素和衍生挥发物2倍，推测与质体脂质体形成有关 |
关键发现
- 过表达细菌八氢番茄红素合成酶（CrtB）使类胡萝卜素（八氢番茄红素、番茄红素、β-胡萝卜素）含量增加高达4倍
- 过表达细菌八氢番茄红素脱氢酶（CrtI）使β-胡萝卜素含量增加高达3倍，但番茄红素和八氢番茄红素减少
- 来自拟南芥的LCY-B过表达使β-胡萝卜素增加7倍且不影响番茄红素，来自番茄的LCY-B过表达使β-胡萝卜素增加31.7倍但降低番茄红素
- RNAi沉默DET-1使β-胡萝卜素增加高达10倍、番茄红素增加高达4倍
- 过表达COP1LIKE使类胡萝卜素含量接近2倍增加
- 过表达ySAMdc使番茄红素含量增加3倍
- 过表达FIBRILLIN使类胡萝卜素和衍生挥发物增加2倍。此外，组成型过表达Psy-1可导致共抑制、矮化等副作用，表明内源调控机制显著影响工程效果。
研究结论
过去十年中，番茄果实类胡萝卜素遗传工程取得快速进展，创造了宝贵的遗传资源。多组学平台和数学建模等系统/合成生物学方法的应用有望提高工程的可预测性和标准化，并克服途径内固有的调控障碍，但公众对转基因生物的看法仍是商业化的限制因素。