Overview of fungal terpene synthases and their regulation
- 作者
- Ricardo A. González-Hernández, Norma A. Valdez-Cruz, Martha L. Macías-Rubalcava, Mauricio A. Trujillo-Roldán
- 单位
- Departamento de Biología Molecular y Biotecnología, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México; Posgrado en Ciencias Biológicas, Universidad Nacional Autónoma de México; Departamento de Productos Naturales, Instituto de Química, Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.1007/s11274-023-03635-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统梳理真菌萜类化合物的生物合成途径（尤其甲羟戊酸途径）与萜烯合酶的分类、催化机制，以及发育、营养和环境因素对萜类合成的多层面调控机制，为定向提高真菌萜类产量提供理论基础。
研究策略
采用综述方法，整合真菌萜烯合酶的酶学分类（异戊二烯转移酶、萜烯环化酶、后修饰酶）与各类催化机理，并从甲羟戊酸通路反馈抑制、转录因子（如SREBP、AreA、CreA、bZIP、Velvet复合体）、辅因子（二价金属离子、NADPH）及发育阶段特异性表达等角度总结调控规律。
研究路线图
核心内容
该综述系统梳理了真菌萜类化合物的生物合成途径与调控机制。研究首先归纳了真菌萜烯合酶的分类体系，包括异戊二烯转移酶、萜烯环化酶及后修饰酶，并着重介绍了嵌合型萜烯合酶的独特催化机制。随后从甲羟戊酸途径的反馈抑制、转录因子（如SREBP、AreA、CreA、bZIP及Velvet复合体）以及二价金属离子和NADPH等辅因子角度，总结了萜类合成的多层面调控规律。关键结果表明，温度显著影响镰刀菌中单端孢霉烯产量，约15°C时T-2毒素产量最高，高于30°C时合成大幅降低；Fusarium中ΔareA突变体可使单端孢霉烯和赤霉素合成减少高达90%。此外，灵芝不同发育阶段的萜类产量差异明显，而Omphalotus olearius中Δ6-protoilludene合酶以Mg²⁺为辅因子时主要生成Δ6-protoilludene，以Ca²⁺为辅因子时则生成β-elemene，说明金属离子可改变产物选择性。该综述提出，通过OSMAC培养策略调整营养和环境条件，可定向改变真菌萜类产量与种类，为难以进行遗传操作的担子菌萜类药物工业化生产提供了可行路径。
创新点
（1）全面归纳真菌萜烯合酶的分类体系与环化机制，强调嵌合型萜烯合酶（如PTTS）的独特性；（2）将萜类合成调控与生理环境因素（温度、碳/氮源、ROS、pH、发育阶段）系统关联，提出通过OSMAC培养策略定向生产萜类的可行途径；（3）总结二价金属离子对倍半萜合酶产物选择性的调控作用。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 多种真菌 | 甲羟戊酸途径 | HMGCR | HMG-CoA还原酶 | 催化 | 萜类支路的关键限速酶，受终产物反馈抑制 |
| 多种真菌 | 甲羟戊酸途径 | SREBP | SREBP转录因子 | 调控 | 在低麦角固醇时进入核内激活HMGCR转录 |
| Ganoderma lucidum | 萜类合成 | CYP基因 | 细胞色素P450 | 催化 | 发育阶段特异性表达，影响萜类多样性与产量 |
| Fusarium graminearum | 单端孢霉烯合成 | TRI5 | 毛萜烯合酶 | 催化 | 蔗糖诱导转录，葡萄糖不诱导 |
| Fusarium graminearum | 单端孢霉烯合成 | TRI4 | CYP单加氧酶 | 催化 | 蔗糖诱导转录 |
| Fusarium graminearum | 单端孢霉烯合成 | TRI6 | TRI6通路调控因子 | 调控 | 转录不受碳源影响，但对DON合成必需 |
| Fusarium graminearum | 单端孢霉烯合成 | pde2 | 磷酸二酯酶2 | 调控 | cAMP降解，负调控DON合成，Δpde2突变体DON产量增加 |
| Aspergillus niger | 伏马菌素合成 | fum7 | Fum7脱氢酶 | 催化 | 依赖NADPH，NADP+/NADPH升高时活性降低 |
| Omphalotus olearius | 倍半萜合成 | Δ6-protoilludene synthase | Δ6-原伊鲁烷合酶 | 催化 | 金属离子依赖性产物特异性 |
| Coprinus cinereus | 倍半萜合成 | cop1 | germacrene A合酶 | 催化 | 底物混杂，可催化FPP和NPP |
| Trichoderma reesei | 萜类代谢 | cre1 | CreA/CRE1碳分解代谢阻遏物 | 调控 | 缺失时CYP及paxU表达上调，但生长减慢 |
| Aspergillus parasiticus | 黄曲霉毒素/萜类 | bZIP转录因子 | bZIP蛋白 | 调控 | 响应ROS和pH，激活次级代谢基因转录 |
关键发现
['已报道的萜类化合物超过25,000种，真菌萜类具有毒素、抗菌、抗肿瘤、抗炎等多种生物活性。', '在Fusarium sporotrichioides和Fusarium langsethiae中，单端孢霉烯T-2和HT-2在约15°C时产量最高，高于30°C时合成显著减少。', '在Fusarium中ΔareA突变体可使单端孢霉烯和赤霉素合成减少高达90%，回补AreA基因后恢复野生型水平。', 'Ganoderma lucidum在菌丝体、原基和子实体阶段分别有429、57和91个差异表达基因，菌丝体阶段萜类产量低于原基和子实体。', 'Omphalotus olearius中鉴定到21种倍半萜类，其中20种为Δ6-protoilludene衍生物，且所有结构至少经过一次氧化修饰。', '体外实验中，Δ6-protoilludene合酶以Mg²⁺为辅因子时主要生成Δ6-protoilludene，以Ca²⁺为辅因子时主要生成β-elemene。', '外源cAMP可诱导Fusarium graminearum中脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）合成，且Δpde2突变体（cAMP磷酸二酯酶2缺失）中DON产量增加。']
研究结论
真菌萜类化合物的生物合成与调控是一个复杂网络，涉及甲羟戊酸途径的反馈抑制、组织特异性表达、转录因子（如AreA、CreA、bZIP、Velvet复合体）及辅因子（二价金属离子、NADPH）等多层面调控。通过调整培养条件（OSMAC策略）可定向改变萜类产量与种类，尤其适用于难以进行遗传操作的担子菌，为萜类药物的工业化生产提供了可行路径。