Updates on artemisinin: an insight to mode of actions and strategies for enhanced global production
- 作者
- Neha Pandey, Shashi Pandey-Rai
- 杂志
- Protoplasma（2015）
- DOI
- 10.1007/s00709-015-0805-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素全球供应短缺，需综合多种策略提高产量，并阐明其多靶点作用机制以应对抗药性。
研究策略
综述青蒿素抗疟和抗癌作用机制，并系统总结通过代谢工程（过表达关键酶基因）、转录因子调控、抑制竞争途径、逆境胁迫诱导、组织/细胞培养及育种等策略提高青蒿素产量的研究进展。
研究路线图
核心内容
青蒿素是目前最有效的抗疟药物，但其在黄花蒿中天然含量极低，仅为干重的0.01%至1.4%，全球每年需约180吨青蒿素才能满足超过3.92亿疗程的联合用药需求，供应缺口严峻。该综述在阐明青蒿素多靶点抗疟及抗癌作用机制的基础上，系统比较了提升产量的多层次策略。代谢工程方面，过表达HMGR使青蒿素含量提高38.9%，HMGR与ADS共表达则提升达7.65倍；抑制竞争途径如利用RNAi沉默SQS也可提高3.14倍。转录因子AaWRKY1过表达增产4.4倍。逆境胁迫同样有效，盐胁迫下青蒿素含量可达干重的2%至3%，MeJA与内生真菌处理联合可提升2.44倍。半合成路线中工程酵母产青蒿酸达25 g/L，化学转化率40%至45%。高产品种选育方面，杂交种亩产可达40.5至52.0公斤。上述结果表明，单一策略难以满足全球需求，唯有将半合成、植物内源代谢工程、逆境诱导与育种相结合，并加深对药物作用机制的理解以应对耐药性，方能实现青蒿素的可持续供应。
创新点
同时整合青蒿素抗疟与抗癌作用机制，全面比较半合成与植物内源增产等多层次策略，强调多策略协同满足全球需求。
研究对象（18）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径（MVA途径） | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 过表达使青蒿素含量提高38.9% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | ADS | amorpha-4,11-二烯合酶 | 催化 | 环化FPP形成amorpha-4,11-二烯，过表达提高2.3倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径（MEP途径） | DXR | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 | 催化 | 过表达提高1.21-2.35倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 过表达提高2-3倍，与HMGR共表达提高1.8倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化amorpha-4,11-二烯至青蒿酸的三步氧化，与FPS、CPR共表达提高3.6倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | CPR | 细胞色素P450氧化还原酶 | 催化 | 为CYP71AV1提供电子 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成途径 | DBR2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua L. | 甾醇生物合成途径（竞争途径） | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | RNAi抑制使青蒿素提高3.14倍 |
| Artemisia annua L. | 萜类合成途径（竞争途径） | CPS | β-石竹烯合酶 | 催化 | 反义RNA抑制使青蒿素提高54.9% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaWRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 过表达提高4.4倍；毛状体特异性过表达提高1.8倍 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaERF1/AaERF2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子中的CBF2及RAA基序 |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AaORA | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 过表达使青蒿素提高53% |
| Artemisia annua L. | 青蒿素生物合成调控 | AabHLH1 | bHLH转录因子 | 调控 | 结合ADS和CYP71AV1启动子E-box元件 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素半合成途径 | — | — | 催化 | 工程酵母产青蒿酸25 g/L，再化学转化为青蒿素（转化率40-45%） |
| Plasmodium falciparum | 青蒿素作用靶标 | PfATP6 | 肌浆内质网钙ATP酶（SERCA） | 转运 | 青蒿素特异性抑制PfATP6，L263突变调节敏感性 |
| Plasmodium falciparum | 青蒿素作用靶标 | PfTCTP | 翻译控制肿瘤蛋白 | 调控 | 青蒿素共价烷化TCTP，Kd值77-120 μM |
| Plasmodium falciparum | 青蒿素耐药机制 | Kelch13 | K13 propeller蛋白 | 调控 | K13螺旋桨结构域突变与青蒿素耐药相关 |
| Saccharomyces cerevisiae | 线粒体功能 | NDE1/NDI1 | NADH脱氢酶 | 能量供给 | 缺失导致对青蒿素耐药，过表达增加敏感性 |
关键发现
青蒿素在植物中含量低（<0.01%-1.4%干重），全球年需求超过3.92亿疗程ACT（约180吨青蒿素）。半合成：工程酵母产青蒿酸25 g/L，青蒿酸转化率40-45%。转基因过表达HMGR使青蒿素提高38.9%，HMGR+ADS共表达提高7.65倍，DXR过表达提高1.21-2.35倍，FPS过表达提高2-3倍，ADS过表达提高2.3倍，FPS+CYP71AV1+CPR共表达提高3.6倍，AaWRKY1过表达提高4.4倍，AaORA过表达提高53%，抑制SQS（RNAi）提高3.14倍，抑制CPS（反义RNA）提高54.9%。盐胁迫下青蒿素达2-3%干重（对照1%），水胁迫（-1.39 MPa, 38h）提高29%，UV-B处理3h使青蒿素翻倍，MeJA处理30min提高3倍，MeJA（40μg/L,15天）产量达3.45 mg/g，OE联合NO供体使青蒿素从1.2增至2.2 mg/g DW，MeJA与P. indica细胞匀浆联合处理提高2.44倍。高产品种'Artemis'产量约32 kg/ha，新杂交种40.5-52.0 kg/ha。
研究结论
满足青蒿素全球需求需综合运用半合成、植物内源代谢工程、逆境胁迫和现代育种等多种策略，同时深入研究其作用机制以应对耐药性。