Insights into Taxol® biosynthesis by endophytic fungi
- 作者
- Kamalraj Subban, Frank Kempken
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.1007/s00253-023-12713-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
内生真菌产紫杉醇产量普遍较低，且其生物合成途径及调控机制尚不清楚，限制了工业应用。
研究策略
综述近年研究，结合PCR同源克隆、基因组/转录组测序、前体饲喂、诱导子和抑制剂处理等策略，解析真菌紫杉醇生物合成途径及关键基因。
研究路线图
核心内容
内生真菌产紫杉醇的产量普遍偏低，其生物合成途径与调控机制尚不清楚，限制了工业化应用。该综述系统梳理了近年研究进展，重点总结了通过基因组与转录组测序、PCR同源克隆、前体饲喂及诱导子处理等策略解析真菌紫杉醇合成途径的成果。在不同产紫杉醇真菌中鉴定到TS、T5αH、T13αH、DBAT、BAPT及PAM等与植物高度同源的基因，例如Mucor rouxianus的TS片段与红豆杉同源性达98%，部分DBAT基因同源性达97%至99%；同时DBAT和PAM被确认为限速酶，并借助抑制剂证实该合成依赖MVA与MEP途径。共培养与诱导子可显著提产，如Taxus悬浮细胞与Fusarium sp.共培养使紫杉醇产量提高38倍，添加树皮提取物可提高30倍，而不同菌株产量差异悬殊，从早期的24至25 ng/L到Pestalotiopsis hainanensis可达1466 μg/L。这些发现支持真菌紫杉醇基因可能源于水平基因转移或趋同进化，为通过代谢工程改造限速酶与调控因子、实现真菌大规模生产紫杉醇提供了理论依据与靶点支撑。
创新点
系统总结了利用基因组学与转录组学预测真菌紫杉醇生物合成同源基因的进展；提出真菌与植物可能存在趋同进化或水平基因转移；鉴定了多个限速酶和调控因子作为基因工程靶点。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mucor rouxianus | 紫杉醇生物合成途径 | TS | taxadiene synthase | 催化 | 克隆到632 bp基因片段，与Taxus brevifolia TS 98%同源 |
| Ozonium sp. BT2 | 紫杉醇生物合成途径 | T10βOH | taxane 10β-hydroxylase | 催化 | 获得完整编码序列（AY907826） |
| Fusarium solani | 紫杉醇生物合成途径 | T13αH | taxane 13α-hydroxylase | 催化 | 获得部分cDNA序列（EF626531） |
| Ozonium sp. BT2 | 紫杉醇生物合成途径 | TAT | taxadien-5α-ol-O-acetyl transferase | 催化 | 获得开放阅读框（AY960682） |
| Lasiodiplodia theobromae | 紫杉醇生物合成途径 | DBAT | 10-deacetylbaccatin III-10-O-acetyl transferase | 催化 | 重组LtDBAT酶可将10-脱乙酰巴卡亭III转化为巴卡亭III；DBAT为限速酶 |
| Fusarium redolens | 紫杉醇生物合成途径 | BAPT | baccatin III:3-amino,13-phenylpropanoyltransferase | 催化 | PCR产物与Taxus植物BAPT基因94%同源；在F. avenaceum和F. tricinctum中也发现高度同源基因 |
| Cryptosporiopsis tarraconensis | 紫杉醇侧链生物合成途径 | PAM | phenylalanine aminomutase | 催化 | PAM被鉴定为限速酶；P. aurantiogriseum的PAM与植物同源性43% |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成途径（MVA/MEP） | GGPPS | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | 在A. aculeatinus BT-2中GGPPS表达显著高于其他前体合成基因 |
| Cladosporium cladosporioides MD2 | 紫杉醇生物合成途径 | T5αH | cytochrome P450 taxadiene 5α-hydroxylase | 催化 | 通过转录组分析鉴定到同源unigene，可能参与taxane C5羟化 |
| Cladosporium cladosporioides MD2 | 紫杉醇生物合成途径 | T13αH | taxane 13α-hydroxylase | 催化 | 转录组发现同源unigene，可能参与C13羟化 |
| Penicillium aurantiogriseum NRRL 62431 | 紫杉醇生物合成途径 | TBT | taxane 2α-O-benzoyl transferase | 催化 | 与其他同源基因一起通过基因组/转录组分析发现 |
| Cladosporium cladosporioides MD2 | 紫杉醇生物合成途径 | DBTNTB | 3'-N-debenzoyl-2'-deoxytaxol-N-benzoyltransferase | 催化 | 基因组中存在但转录组未检测到，可能因连续传代而沉默 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成途径（MEP） | DXR | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase | 催化 | 参与MEP途径；抑制剂fosmidomycin可抑制其活性 |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成途径（MVA） | HMGS/HMGR | 3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA synthase/reductase | 催化 | 参与甲羟戊酸途径；compactin抑制HMGR |
| Aspergillus aculeatinus Tax-6 | 萜类前体合成途径 | IPPS | isopentenyl pyrophosphate synthase | 催化 | 参与异戊烯基焦磷酸合成 |
| Lasiodiplodia theobromae | 紫杉醇生物合成调控 | WRKY1 | WRKY transcription factor 1 | 调控 | 克隆到WRKYGQK七肽序列；可能调控DBAT表达 |
| Taxus相关内生真菌 | 紫杉醇生物合成调控 | ERF, AP2 | ethylene responsive factor / AP2-domain transcription factor | 调控 | 在Taxus相关内生真菌中发现，但非相关真菌中未发现 |
关键发现
- ['已报道约200种内生真菌可产生紫杉醇，但产量普遍较低
- 不同菌株产量差异大，如Pestalotiopsis hainanensis可达1466 μg/L（Gu et al., 2015），而早期报道仅24-25 ng/L（Stierle et al., 1993）。', '共培养和诱导子可显著提高产量：Paraconiothyrium sp.与Phomopsis sp.和Alternaria sp.共培养使紫杉醇产量提高8倍
- 添加Taxus树皮提取物使产量提高30倍
- Taxus悬浮细胞与Fusarium sp.共培养使紫杉醇产量提高38倍。', '基因组/转录组分析在产紫杉醇真菌中鉴定到TS、T5αH、T13αH、TBT等同源基因：如Mucor rouxianus的TS片段632 bp，与Taxus brevifolia同源性98%
- Cladosporium cladosporioides MD2中鉴定到T5αH和T13αH同源unigenes
- Aspergillus aculeatinus中鉴定到DXR、HMGS、HMDR、IPPS、GGPPS、T10βH等基因。', '部分真菌DBAT基因与Taxus植物同源性达97-99%
- Fusarium redolens的BAPT基因与植物基因94%同源
- Penicillium aurantiogriseum的PAM与植物PAM氨基酸同源性为43%。', 'DBAT和PAM被鉴定为紫杉醇生物合成的限速酶
- 使用抑制剂（compactin、fosmidomycin）证明真菌紫杉醇合成涉及MVA和MEP途径。', '水杨酸、茉莉酸等诱导子可促进紫杉醇积累，如Pestalotiopsis microspora中水杨酸显著提高紫杉醇产量并诱导相关基因表达。']
研究结论
内生真菌具有生产紫杉醇的潜力，其生物合成基因可能源于水平基因转移或趋同进化；通过基因组学、转录组学和代谢工程手段可系统解析并优化该途径，未来有望实现真菌紫杉醇的大规模工业生产。