P450s controlling metabolic bifurcations in plant terpene specialized metabolism
- 作者
- Aparajita Banerjee, Björn Hamberger
- 杂志
- Phytochemistry Reviews（2017）
- DOI
- 10.1007/s11101-017-9530-4
- 所属领域
- 代谢工程,合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析植物萜类特殊代谢中P450如何通过区域/立体专一性控制代谢分支和化学多样性，为合成生物学和代谢工程提供依据。
研究策略
综述2016至2017年初植物P450在单萜、倍半萜、二萜、三萜生物合成中的新发现，重点分析P450控制代谢分叉的案例，包括同源基因功能分化、底物杂泛性和结构指导的理性改造。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了2016至2017年初植物萜类特殊代谢中细胞色素P450酶对代谢分支和化学多样性的控制机制。作者重点分析了单萜、倍半萜、二萜及三萜途径中P450通过区域与立体专一性决定代谢流向的关键案例，涵盖同源基因功能分化、底物杂泛性以及结构指导的理性改造。关键结果包括：留兰香CYP71D18的F363I单点突变即可将区域选择性从C-6翻转为C-3，完全转变为薄荷CYP71D15的活性；青蒿CYP71AV1的S479F突变使醇到醛的转化效率降低近20倍，将多步氧化限制为单步；CYP725A4在工程大肠杆菌和纳米盘平台中合成氧合紫杉烷类，滴度超过500 mg/L；CYP714A2工程变体在大肠杆菌中产甜菊醇超过15 mg/L。这些发现表明P450是萜类代谢分支的核心控制点，其天然变异和理性改造为通过合成生物学精准重塑植物萜类化学多样性和高效生产高价值产物提供了明确的酶工程策略。
创新点
提出P450是代谢分支的关键控制点；展示单氨基酸突变可切换区域选择性；通过比较转录组学鉴定立体选择性P450；结合组合生物合成和酵母工程解析复杂二萜途径。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 薄荷 (Mentha × piperita) | 薄荷单萜生物合成 | CYP71D15 | (-)-4S-柠檬烯-3-羟化酶 | 催化 | 催化(-)-4S-柠檬烯C-3烯丙位羟基化，生成(-)-反式异胡薄荷醇 |
| 留兰香 (Mentha spicata) | 留兰香单萜生物合成 | CYP71D18 | (-)-4S-柠檬烯-6-羟化酶 | 催化 | 催化(-)-4S-柠檬烯C-6烯丙位羟基化，生成(-)-反式香芹醇；F363I单点突变可转换为C-3活性 |
| 薄荷 (Mentha × piperita) | 薄荷呋喃代谢 | CYP71A32 | 薄荷呋喃合酶 | 催化 | 催化(+)-胡薄荷酮经烯丙基羟基化和自发重排形成(+)-薄荷呋喃 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 芳樟醇代谢 | CYP71B31 | 芳樟醇氧化酶 | 催化 | 催化(3S)-芳樟醇生成(3S)-1,2-环氧芳樟醇和5-羟基芳樟醇异构体 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 芳樟醇代谢 | CYP76C3 | 芳樟醇氧化酶 | 催化 | 催化(3S)-和(3R)-芳樟醇生成5-羟基芳樟醇为主，及8-羟基、8-氧代、9-羟基衍生物 |
| 长春花 (Catharanthus roseus) | 环烯醚萜生物合成 | CYP76B6 | 香叶醇8-羟化酶 | 催化 | 催化香叶醇两步连续C-8氧化生成8-氧代香叶醛（经8-羟基香叶醇） |
| 檀香 (Santalum album) | 檀香醇生物合成 | CYP736A167 | 檀香烯/佛手柑烯立体选择性氧化酶 | 催化 | 在酵母中与SaPOR2共表达，立体选择性形成(Z)-α-檀香醇、(Z)-β-檀香醇等四种主要檀香油倍半萜醇 |
| 葡萄 (Vitis vinifera) | 圆柚酮生物合成 | CYP71BE5 | α-愈创木烯-2-氧化酶 | 催化 | 催化α-愈创木烯C-2氧化生成(-)-圆柚酮；体外也氧化(+)-戊兰烯生成β-诺卡酮 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 辣椒素醇生物合成 | CYP71D20 | 5-epi-马兜铃烯-1,3-二羟化酶 | 催化 | 依次在C-1和C-3羟基化5-epi-马兜铃烯，立体选择性生成1β,3α-辣椒素醇 |
| 天仙子 (Hyoscyamus muticus) | 山莨菪酮生物合成 | CYP71D55 | 前马兜铃烯氧化酶 | 催化 | 催化前马兜铃烯C-2连续氧化生成山莨菪酮；也氧化戊兰烯和5-EA为单氧化产物 |
| 青蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 紫穗槐二烯氧化酶 | 催化 | 催化紫穗槐二烯三步氧化生成青蒿酸；S479F突变降低醇到醛转化约20倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 赤霉素/甜菊醇生物合成 | CYP714A2 | ent-贝壳杉烯酸氧化酶 | 催化 | 催化ent-贝壳杉烯酸C-13羟基化生成甜菊醇；工程变体在大肠杆菌中产甜菊醇超过15 mg/L |
| 鼠尾草 (Salvia pomifera) | 鼠尾草酸生物合成 | CYP76AH24 | 脱氢枞二烯氧化酶 | 催化 | 催化脱氢枞二烯生成铁锈醇和11-羟基铁锈醇 |
| 迷迭香 (Rosmarinus officinalis) | 鼠尾草酸生物合成 | CYP76AK8 | C-20氧化酶 | 催化 | 氧化铁锈醇/11-羟基铁锈醇的C-20生成鼠尾草酸/松香酸 |
| 蓖麻 (Ricinus communis) | 卡斯宾二萜生物合成 | CYP726A14 | 卡斯宾5-氧化酶 | 催化 | 催化卡斯宾C-5氧化生成5-酮卡斯宾 |
| 续随子 (Euphorbia lathyris) | 大戟二萜生物合成 | CYP71D445 | 卡斯宾9-氧化酶 | 催化 | 催化卡斯宾C-9氧化，与CYP726A27组合生成9-酮-5-羟基卡斯宾，并参与形成jolkinol C |
| 红豆杉 (Taxus brevifolia) | 紫杉醇生物合成 | CYP725A4 | 紫杉二烯5α-羟化酶 | 催化 | 催化taxa-4(5),11(12)-diene氧化，产物包括T5OH和OCT，在工程大肠杆菌中总氧合紫杉烷滴度超过500 mg/L |
| 北美云杉 (Picea sitchensis) | 树脂酸生物合成 | CYP720B4 | 树脂酸氧化酶 | 催化 | 在酵母中氧化二萜烯生成异海松酸（0.9 mg/L）和松香酸（0.2 mg/L） |
关键发现
['薄荷醇全球需求30,000吨/年，市场估值3亿美元', '柠檬烯高密度生物燃料，标准燃烧焓-6100 kJ/mol', '留兰香CYP71D18中F363I单点突变将区域选择性从C-6转为C-3，完全转变为薄荷CYP71D15活性', 'CYP71AV1（青蒿）S479F突变使醇到醛的转化降低近20倍，限制为单步氧化', 'CYP714A2工程变体在大肠杆菌中产甜菊醇超过15 mg/L', 'CYP720B4在酵母中产异海松酸0.9 mg/L和松香酸0.2 mg/L', 'CYP725A4在工程大肠杆菌和纳米盘平台中产生T5OH、OCT等氧合紫杉烷，滴度超过500 mg/L', 'CYP76AH4等催化脱氢枞二烯两步氧化生成铁锈醇和11-羟基铁锈醇', 'CYP71D55氧化前马兜铃烯生成山莨菪酮，也氧化戊兰烯和5-EA成单氧化产物', 'CYP76C3和CYP71B31氧化芳樟醇产生不同羟基化/环氧化产物']
研究结论
P450是植物萜类特殊代谢中控制代谢分支和化学多样性的核心酶，具有区域和立体选择性，可通过天然变异和结构指导的理性工程改造，在合成生物学和代谢工程中有巨大应用潜力。