Heterologous production of secondary metabolites as pharmaceuticals in Saccharomyces cerevisiae
- 作者
- Beibei Huang, Jing Guo, Bo Yi, Xiaojing Yu, Lianna Sun, Wansheng Chen
- 单位
- Department of Pharmacy, Changzheng Hospital, Second Military Medical University; Modern Research Center for Traditional Chinese Medicine, Second Military Medical University; Department of Pharmacognosy, School of Pharmacy, Second Military Medical University
- 杂志
- Biotechnology Letters（2008）
- DOI
- 10.1007/s10529-008-9663
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用酿酒酵母作为异源宿主，高效生产具有药用价值的植物次级代谢产物（如类黄酮、萜类、聚酮化合物和维生素C等）
研究策略
系统综述了在酿酒酵母中重构植物次级代谢通路的研究进展，包括引入植物来源的关键合成酶基因、优化内源甲羟戊酸途径、调控前体供给和代谢通量，以及利用基因组尺度代谢模型指导菌株改造等策略
研究路线图
核心内容
该文系统综述了以酿酒酵母为异源宿主生产植物来源药物次级代谢产物的研究进展。作者梳理了在酵母中重构苯丙烷、类黄酮、萜类、紫杉醇及维生素C等合成通路的多项策略，核心做法包括引入植物关键酶基因（如PAL、C4H、CHS、CYP71AV1等）、优化内源甲羟戊酸途径以增强前体供给，以及利用基因组尺度代谢模型指导菌株改造。文章汇总了若干代表性案例：Jiang等构建的工程酵母产柚皮素达7 mg/L、松属素0.8 mg/L；Takahashi等通过工程化FPP池使倍半萜产量超过80 mg/L；DeJong等在酵母中重建紫杉醇部分通路，紫杉二烯产量达1 mg/L；Branduardi等首次在重组酵母中实现维生素C的生物合成。这些结果说明，酿酒酵母凭借其真核翻译后修饰能力和成熟发酵工艺，能够经济地生产复杂次级代谢产物及其前体，为天然药物微生物合成提供了系统参考，未来有望拓展至更多天然及非天然新化合物的生产。
创新点
全面整理了多种药物相关次级代谢产物在酿酒酵母中的异源生产案例，并讨论了代谢控制分析、基因合成技术及组学分析工具在代谢工程中的应用，为天然产物的微生物合成提供了系统参考
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷代谢途径 | PAL | 苯丙氨酸解氨酶 | 催化 | 来自Rhodotorula glutinis等，催化苯丙氨酸脱氨生成反式肉桂酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷代谢途径 | C4H | 肉桂酸-4-羟化酶 | 催化 | 来自Helianthus tuberosus等，催化肉桂酸对位羟基化生成对香豆酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 苯丙烷代谢途径 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为C4H等P450酶提供电子，辅助羟基化反应 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类黄酮生物合成途径 | 4CL | 4-香豆酸辅酶A连接酶 | 催化 | 来自Petroselinum crispum等，催化香豆酸生成香豆酰辅酶A |
| Saccharomyces cerevisiae | 类黄酮生物合成途径 | CHS | 查尔酮合酶 | 催化 | 来自Medicago sativa、Petunia hybrida等，催化查尔酮生成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 类黄酮生物合成途径 | CHI | 查尔酮异构酶 | 催化 | 来自Medicago sativa等，催化查尔酮异构化为黄烷酮 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异黄酮生物合成途径 | IFS | 异黄酮合酶 | 催化 | 来自Glycine max等，催化黄烷酮生成异黄酮 |
| Saccharomyces cerevisiae | 芪类生物合成途径 | RS | 白藜芦醇合酶 | 催化 | 来自Vitis vinifera等，催化香豆酰辅酶A生成白藜芦醇 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类生物合成途径（甲羟戊酸途径） | CYP71AV1 | 紫穗槐二烯氧化酶（细胞色素P450单加氧酶） | 催化 | 来自Artemisia annua，催化amorpha-4,11-diene氧化为青蒿酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇生物合成途径 | GGPPS | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata，延伸FPP生成GGPP |
| Saccharomyces cerevisiae | 紫杉醇生物合成途径 | TS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 来自Taxus cuspidata，催化GGPP环化生成taxadiene |
| Saccharomyces cerevisiae | 聚酮化合物生物合成途径 | PrpE | 丙酰辅酶A合成酶 | 催化 | 来自Salmonella typhimurium，催化丙酸生成丙酰辅酶A |
关键发现
- Jiang等构建的工程酵母产生柚皮素7 mg/L、松属素0.8 mg/L
- Becker等用酵母发酵葡萄汁产生白藜芦醇糖苷0.5-1.5 μg/L
- Takahashi等通过工程化FPP池使倍半萜产量>80 mg/L，羟基化产物各50 mg/L
- DeJong等在酿酒酵母中重建紫杉醇部分通路，紫杉二烯产量1 mg/L，紫杉二烯-5α-醇约25 μg/L
- Ro等通过表达CYP71AV1和CPR合成青蒿酸
- Branduardi等首次在重组酵母中实现维生素C的生物合成
研究结论
酿酒酵母作为真核模式微生物，具有完善的翻译后修饰能力和成熟的发酵工艺，是生产复杂植物次级代谢产物的理想异源宿主；通过代谢工程和合成生物学手段可经济地生产药物及其前体，未来将产生更多天然及非天然的新化合物