Advances in the Structures, Pharmacological Activities, and Biosynthesis of Plant Diterpenoids
- 作者
- Leilei Li, Jia Fu, Nan Liu
- 单位
- School of Chinese Materia Medica, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine; State Key Laboratory of Component-based Chinese Medicine, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine
- 杂志
- Journal of Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.4014/jmb.2402.02014
- 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
植物二萜类化合物结构多样且具有显著生物活性，但天然资源日益减少，生物合成途径尚未完全解析，难以满足可持续生产需求，需借助合成生物学在微生物中高效异源生产。
研究策略
系统综述植物二萜的化学结构分类、药理活性与生物合成途径，并总结利用E. coli、酵母等底盘细胞异源生产植物二萜的研究进展，分析代谢工程与发酵优化策略。
核心内容
该文系统综述了植物二萜类化合物的结构多样性、药理活性与生物合成途径，并总结了利用微生物底盘细胞异源生产的最新进展。在化学结构上，作者梳理了不同类型二萜的分类与特征；药理活性方面，重点讨论了穿心莲内酯衍生物及甜茶苷等化合物的抗炎、抑菌功效。在生物合成部分，文章解析了关键酶如二萜合酶、细胞色素P450氧化酶以及糖基转移酶在骨架构建与后修饰中的作用，并归纳了多种代谢工程策略，包括模块化工程、融合蛋白、辅因子工程和内质网扩增等。关键结果方面，大肠杆菌产ent-kaurane达578 mg/L、产甜菊醇达1073.8 mg/L；酿酒酵母在5升生物反应器中产丹参酮型二萜miltiraidiene达3500 mg/L，产佛司可林在5升发酵罐中达79.33 mg/L。此外，药理数据表明穿心莲内酯衍生物对LPS诱导NO产生的IC50为3.38 μM，显著强于母体化合物。这些结果证明，解析生物合成途径并运用合成生物学手段构建细胞工厂，是实现植物二萜可持续绿色生产的有效途径。
创新点
全面梳理了植物二萜类化合物的结构多样性、药理活性、生物合成关键酶以及微生物异源生产的最新进展，归纳了提高产量的多种代谢工程策略（如模块化工程、融合蛋白、辅因子工程、内质网扩增等）。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP pathway | DXS, IspA, IDI | — | 催化 | 过表达MEP途径关键酶以增强IPP和DMAPP前体供应 |
| Escherichia coli | Diterpenoid biosynthesis | GGPPS | GGPPS | 催化 | 来自Rhodobacter sphaeroides的GGPPS，催化GGPP合成 |
| Escherichia coli | ent-Kaurene biosynthesis | ent-CPS, ent-KS | — | 催化 | 催化GGPP环化生成ent-kaurene |
| Escherichia coli | Steviol biosynthesis | KO, KA13H, CPR, CYB5 | CYP450 oxidases | 催化 | N端截短、密码子优化、共表达CYB5提高steviol产量至1.07 g/l |
| Escherichia coli | Taxadiene biosynthesis | TASY, DXS, IspA, IDI | Taxadiene synthase | 催化 | 模块化代谢工程，平衡MEP上游与下游模块，taxadiene产量达1.02 g/l |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA pathway | tHMG1, UPC2-1, ERG20, mERG20 | HMG-CoA reductase, GGPPS | 催化 | 增强MVA通量，融合ERG20与mERG20提高GGPP |
| Saccharomyces cerevisiae | Miltiraidiene biosynthesis | CfTPS1, SmKSL1 | Diterpene synthases | 催化 | 融合CfTPS1和SmKSL1，5-L生物反应器中miltiraidiene产量达3.5 g/l |
| Saccharomyces cerevisiae | Forskolin biosynthesis | CYP76AH15, CYP76AH11, CYP76AH16, CFACT1-8, CPR, CYB5 | Cytochrome P450, acetyltransferase | 催化 | 优化CYP450与CPR、CYB5适配，摇瓶产量21.47 mg/l，5-L发酵罐79.33 mg/l |
| Saccharomyces cerevisiae | Carnosic acid biosynthesis | SmCPS, SmKSL, SmCPR | Diterpene synthases, P450 reductase | 催化 | 共表达CYP450与CPR、融合蛋白、内质网工程提高产量至24.65 mg/l |
| Saccharomyces cerevisiae | Rubusoside biosynthesis | CYP76AH1, CPR, UGT74G1, UGT85C2, tHMG1, IDI1 | Cytochrome P450, glycosyltransferases | 催化 | 模块化工程、FPSF112A突变减少副产物，15-L生物反应器产量达1368.6 mg/l |
| Saccharomyces cerevisiae | Gibberellin biosynthesis | AtKS, AtKO, AtATR2 | Kaurene synthase, kaurene oxidase, P450 reductase | 催化 | 引入拟南芥酶，结合MVA优化和调控因子，实现GA4、GA3合成 |
| Yarrowia lipolytica | Gibberellin biosynthesis | FPS112A, PDR11, MSN4, AtKS, AtKO, AtATR2, CYB5 | GGPPS, efflux pump, transcription factor, P450s | 转运 | FPS112A突变、过表达外排泵PDR11和胁迫因子MSN4，GA4产量17.29 mg/l，GA3 2.93 mg/l |
| Chlamydomonas reinhardtii | Sclareol biosynthesis | GGPPS, sclareol synthase | GGPPS, sclareol synthase | 催化 | 密码子优化、N端截短、融合CPS-KS，光自养条件下产量达656 mg/l |
| Salvia miltiorrhiza | Tanshinone biosynthesis | SmCPS1, SmKSL1, SmCYP76AH1, SmCYP76AH3, SmCYP76AK1 | Diterpene synthases, cytochrome P450 | 催化 | 综述中阐明的丹参酮生物合成关键酶，CYP76AH1D301E和V39F突变体具有双酶功能 |
| Stevia rebaudiana | Steviol glycoside biosynthesis | ent-CPS, ent-KS, KO, KA13H, SrUGT73E1, SrUGT85C2, SrUGT91D2, SrUGT76G1 | Diterpene synthases, cytochrome P450, glycosyltransferases | 催化 | 参与甜菊糖苷合成，OsUGT91C1可转化Reb A为Reb D |
| Taxus | Paclitaxel biosynthesis | TASY, T5αOH, T13αOH, TAT, DBAT, PAM, PCL, BAPT, DBTNBT | Taxadiene synthase, cytochrome P450, acyltransferases | 催化 | 紫杉醇生物合成途径中已鉴定的酶，仍有多个CYP450未明确 |
| Coleus forskohlii | Forskolin biosynthesis | GTPS1, GTPS2, GTPS3, CGPY76AH15, CGPY76AH8, CGPY76AH17, CFACT1-8 | Diterpene synthases, cytochrome P450, acetyltransferase | 催化 | Forskolin途径关键酶，CFACT1-8具有良好底物特异性 |
| Salvia miltiorrhiza | Tanshinone regulation | SmWRKY2, SmERF73 | Transcription factors | 调控 | SmWRKY2上调SmDXS2和SmCPS表达，SmERF73调控七个生物合成基因 |
| Saccharomyces cerevisiae | Terpenoid transport | PDR11 | Efflux pump | 转运 | 过表达外排泵PDR11提高产物分泌，用于rubusoside生产 |
关键发现
- 异源生产中：E. coli产ent-kaurane达578 mg/l，产steviol达1073.8 mg/l（1.07 g/l），产taxadiene达1020 mg/l
- S. cerevisiae产miltiraidiene达3500 mg/l（5-L生物反应器），产forskolin摇瓶21.47 mg/l、5-L发酵罐79.33 mg/l，产carnosic acid 24.65 mg/l，产rubusoside达1368.6 mg/l（15-L生物反应器）
- Y. lipolytica产GA4达17.29 mg/l、GA3达2.93 mg/l
- C. reinhardtii产sclareol达656 mg/l。药理活性方面：andrographolide衍生物对LPS诱导NO产生的IC50为3.38 μM，强于andrographolide的8.81 μM
- rubusoside（50 mM）对S. mutans mutansucrase的抑制率达97%。
研究结论
植物二萜类化合物具有重要的药物和商业价值，通过解析其生物合成途径并运用合成生物学和代谢工程在微生物中构建细胞工厂，是实现可持续、绿色生产植物二萜类化合物的有效途径。