The microbial biosynthesis of noncanonical terpenoids
- 作者
- Mengyu Ma, Mingkai Li, Zhenke Wu, Xiqin Liang, Qiusheng Zheng, Defang Li, Guoli Wang, Tianyue An
- 单位
- Featured Laboratory for Biosynthesis and Target Discovery of Active Components of Traditional Chinese Medicine, School of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine, Binzhou Medical University, Yantai 264003, China
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-024-13048-y
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
非经典萜类（碳骨架不符合五碳单元规律）的微生物生物合成途径尚不清楚，需要系统总结其生物合成机制与相关酶系，以指导新化合物的发现与异源生产。
研究策略
综述已发表的非经典萜类生物合成研究，涵盖C6/C7/C11/C12/C16碳骨架及非角鲨烯三萜和灵芝降三萜，归纳甲基转移酶催化甲基化、萜类合酶环化、蛋白质工程突变以及非角鲨烯底物利用等策略。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了非经典萜类（碳骨架不符合五碳单元规律）的微生物生物合成机制与相关酶系，涵盖C6、C7、C11、C12、C16碳骨架以及非角鲨烯三萜和灵芝降三萜等类型。研究重点归纳了三条主要策略：利用甲基转移酶对IPP或DMAPP进行甲基化以扩展前体结构（如来源于Streptomyces monomycini的IPPMT可合成C6和C7异戊烯基焦磷酸，主要产物为(E)-4-甲基-IPP）；通过蛋白质工程改造酶活性（如GPP C2-甲基转移酶突变体G202M能以DMAPP为底物生成2-甲基-DMAPP），以及构建双功能嵌合萜类合酶实现不寻常环化。功能验证方面，将PIGPPMT和PIMIBS导入酿酒酵母可产生2-亚甲基冰片等C11萜；Serratia plymuthica来源的SpFPPMT与SpSODS组合催化生成sodorifen，通过DiPaC克隆4.6 kb基因簇导入大肠杆菌可实现大量生产，其突变体结合CYP450可合成28种C16非经典萜。此外，Talaromyces verruculosus的TvTS和Macrophomina phaseolina的MpMS首次以C30底物合成非角鲨烯三萜。该综述揭示了利用前体工程与酶工程扩展萜类结构多样性的可行路径，为基因组挖掘和AI辅助酶设计推动新型非经典萜类的发现与高效生物合成提供了理论基础。
创新点
首次系统综述了微生物合成非经典萜类的途径，包括多种非常规碳骨架的形成机制；介绍了利用甲基转移酶突变和双功能嵌合萜类合酶构建非经典萜类合成路线的新策略。
研究对象（32）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces monomycini | 萜类前体合成（IPP/DMAPP） | ippmt | IPP甲基转移酶 (IPPMT) | 催化 | 以IPP为底物合成C6和C7异戊烯基焦磷酸，主要产物为(E)-4-甲基-IPP |
| Rhodococcus fascians | 萜类前体合成（IPP/DMAPP） | mt1, mt2 | 甲基转移酶 MT1/MT2 | 催化 | MT1催化IPP生成Me-IPP，MT2继续甲基化生成二甲基IPP(C7) |
| Streptomyces coelicolor | 萜类前体合成（DMAPP甲基化） | gppc2mt (突变体G202M) | GPP C2-甲基转移酶突变体 (G202M) | 催化 | 通过定点饱和突变获得，能高效利用DMAPP生成2-甲基-DMAPP |
| Micromonospora humi | 萜类前体合成（IPP/DMAPP甲基化） | humMT | HumMT 甲基转移酶 | 催化 | 与SAM和IPP反应生成5-甲基异戊烯醇，与DMAPP反应生成2-甲基异戊烯醇 |
| Streptomyces argenteolus | 萜类前体合成（IPP甲基化） | lon23 | Lon23 甲基转移酶 | 催化 | 与GPPMT有38%氨基酸同源性，催化IPP生成3Z-3-甲基IPP |
| Escherichia coli | 鳞翅目甲羟戊酸途径 (LMVA) | LMVA pathway genes (来自Bombyx mori) | LMVA途径相关酶 | 催化 | 由丙酰-CoA与乙酰-CoA缩合生成HIPP和HDMAPP，用于C6异戊烯醇合成 |
| Escherichia coli | C6异戊烯醇合成 | nudB | NudB (多功能磷酸酶) | 催化 | 将HIPP去磷酸化生成C6-异戊烯醇 |
| Escherichia coli | β-氧化途径 | PcCL, MID | PcCL、MID 酶 | 催化 | 将硫解酶途径转向β-氧化，提高HIPP产量 |
| Streptomyces coelicolor A3(2) | 2-甲基-GPP合成 | gppmt | GPP甲基转移酶 (GPPMT) | 催化 | SAM依赖，催化GPP C2位甲基化生成2-甲基-GPP |
| Saccharomyces cerevisiae | C11萜合成 | PIGPPMT, PIMIBS | PIGPPMT (GPPMT), MIBS (2-甲基异冰片合酶) | 催化 | 来自Pseudanabaena limnetica，在酵母中产生2-亚甲基冰片、1-甲基莰烯等C11产物 |
| Saccharomyces cerevisiae | FPP/GGPP合成 | ERG20 (突变体 N127W) | Erg20pN127W（法尼基焦磷酸合酶突变体） | 催化 | 与PIGPPMTF266H融合表达增加2-甲基GPP产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | C11萜合成 | SfCinS1, SpSabS, PtPinS, CILimS | 1,8-桉叶素合酶、桧烯合酶、蒎烯合酶、柠檬烯合酶 | 催化 | 植物来源经典TPS，可利用2-甲基-GPP生成多种C11化合物 |
| Streptomyces argenteolus | 6-甲基-GPP合成 | bezA | BezA (GPP C6-甲基转移酶) | 催化 | 催化GPP C6位甲基化生成6-甲基-GPP |
| Streptomyces coelicolor A3(2) | 2-甲基异冰片 (2-MIB) 合成 | mibs | 2-甲基异冰片合酶 (MIBS) | 催化 | 催化2-甲基-GPP环化生成2-MIB；晶体结构分辨率1.85 Å/2.00 Å |
| Pseudomonas fluorescens | 2-亚甲基冰片 (2-MB) 合成 | Pfl_1841 | 2-亚甲基冰片合酶 (Pfl_1841) | 催化 | 催化2-甲基-GPP生成2-MB，而非2-MIB |
| Streptomyces coelicolor | 土臭素 (geosmin) 合成 | gs | 土臭素合酶 (GS) | 催化 | 双结构域单酶，催化FPP经germacradienol并断裂脱丙酮生成geosmin |
| 植物来源（未指明） | 法尼基/香叶基芳樟醇合成 | GES, NES | 香叶基芳樟醇合酶 (GES)、橙花叔醇合酶 (NES) | 催化 | 分别催化GGPP和FPP生成geranyllinalool和nerolidol |
| Arabidopsis thaliana | TMTT/DMNT合成 | CYP82G1 | 细胞色素P450酶 CYP82G1 | 催化 | 催化geranyllinalool和nerolidol氧化降解分别生成TMTT和DMNT |
| Gossypium hirsutum | TMTT/DMNT合成 | GhCYP82L1, GhCYP82L2 | 细胞色素P450酶 GhCYP82L1/L2 | 催化 | 酵母异源表达证明参与TMTT和DMNT生物合成 |
| Oryza sativa | TMTT/DMNT合成 | OsCYP92C21 | 细胞色素P450酶 OsCYP92C21 | 催化 | 催化nerolidol和geranyllinalool分别生成DMNT和TMTT |
| Serratia plymuthica | sodorifen合成 | SpFPPMT | FPP甲基转移酶 (SpFPPMT) | 催化 | 催化FPP甲基化并环化生成PSPP |
| Serratia plymuthica | sodorifen合成 | SpSODS | sodorifen合酶 (SpSODS) | 催化 | 催化PSPP环化生成sodorifen |
| Pseudomonas chlororaphis O6 / Variovorax boronicumulans PHE5-4 | chlororaphen合成 | PcFPPMT, VbFPPMT | FPP甲基转移酶 | 催化 | 催化FPP甲基化生成γ-PSPP |
| Pseudomonas chlororaphis / Variovorax boronicumulans | chlororaphen合成 | Pcy-PSPP-MT, Vby-PSPP-MT | γ-PSPP甲基转移酶 | 催化 | 催化γ-PSPP进一步甲基化生成α-PCPP |
| Pseudomonas chlororaphis / Variovorax boronicumulans | chlororaphen合成 | Pc-ChloS, Vb-ChloS | chlororaphen合酶 | 催化 | 催化α-PCPP环化生成chlororaphen (C17H28) |
| Saccharomyces cerevisiae | C16非经典萜合成 | SpFPPMT突变体 (F58V/L/M, L302, 等) | 突变型SpFPPMT | 催化 | 产生不同C16二磷酸前体，结合CYP450共合成28种C16非经典萜 |
| Streptomyces argenteolus | 6-甲基-FPP合成 | bezA (W210A) | BezA突变体 (W210A) | 催化 | 获得FPP C6甲基转移酶活性，生成6-甲基-FPP |
| Escherichia coli | C16/C17/C18非经典萜合成 | CfFPPS1, CfFPPS2 (来自Choristoneura fumiferana) | FPP合酶 | 催化 | 与LMVA途径及epi-isozizaene合酶组合，产生C16、C17和C18化合物 |
| Sulfolobus solfataricus | 六异戊烯基焦磷酸 (HexPP) 合成 | hexPPS | HexPP合酶 | 催化 | 以GGPP为底物添加IPP生成HexPP (C30) |
| Talaromyces verruculosus TS63-9 / Macrophomina phaseolina MS6 | 非角鲨烯三萜合成 | TvTS, MpMS | 双功能嵌合萜类合酶 TvTS/MpMS | 催化 | 首次利用HexPP直接环化合成talaropentaene和macrophomene |
| （来源未指明，预测） | 非角鲨烯三萜合成 | Cgl13855, PTTC074 | 三萜合酶 Cgl13855/PTTC074 | 催化 | 经AlphaFold2预测并验证，可催化HexPP生成collectorpeneol |
| Streptomyces avermitilis | 萜类化合物筛选 | 262个候选细菌TPS基因 | 多种萜类合酶 | 催化 | 多数为倍半萜合酶，主要产物为geosmin和epi-isozizaene |
关键发现
- IPPMT（来自Streptomyces monomycini）以IPP为底物可合成C6和C7异戊烯基焦磷酸，主要产物为(E)-4-甲基-IPP，次要产物包括(Z)-4-甲基-IPP、4-甲基-DMAPP及C7化合物4,4-二甲基-IPP和4,4-二甲基-DMAPP
- GPPC2MT突变体G202M能以DMAPP为底物生成2-甲基-DMAPP
- 将PIGPPMT和PIMIBS导入酿酒酵母产生2-亚甲基冰片(2-MB)、1-甲基莰烯(1MC)和2-甲基-2-冰片(2M2B)等C11萜，Erg20pN127W与PIGPPMTF266H融合提高2-甲基GPP产量
- 2-甲基异冰片合酶晶体结构分辨率为1.85 Å（未配体）和2.00 Å（与Mg2+和2-氟橙花基二磷酸复合）
- Geosmin合酶(GS)单酶催化FPP经germacradienol生成geosmin
- Serratia plymuthica的SpFPPMT催化FPP甲基化并环化生成PSPP，SpSODS再催化生成sodorifen，通过DiPaC克隆4.6 kb sodorifen基因簇导入E. coli可实现大量产生
- SpFPPMT突变体(F58V/L/M等)产生多种C16二磷酸前体，结合CYP450可合成28种C16非经典萜
- Talaromyces verruculosus的TvTS和Macrophomina phaseolina的MpMS首次以HexPP(C30)为底物合成非角鲨烯三萜talaropentaene和macrophomene
- AlphaFold2预测的Cgl13855和PTTC074可催化HexPP生成collectorpeneol
- 细菌基因组挖掘发现47种不同C16萜，其中13种结构被解析。
研究结论
非经典萜类具有独特碳骨架和生物活性，可通过特异性甲基转移酶及蛋白质工程扩展前体结构，或利用非角鲨烯底物合成三萜；未来借助基因组挖掘、AI预测和代谢工程将促进新型非经典萜类的发现与高效生物合成。