Sesquiterpene lactone engineering in microbial and plant platforms: parthenolide and artemisinin as case studies
- 作者
- Mohammad Majdi, Morahem Ashengroph, Mohammad Reza Abdollahi
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2015）
- DOI
- 10.1007/s00253-015-7128-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决倍半萜内酯（如小白菊内酯和青蒿素）在天然植物中含量低、化学合成成本高的问题，通过代谢工程在微生物和植物平台实现高效生产。
研究策略
综述多种代谢工程策略，包括关键基因过表达、竞争途径抑制、亚细胞器靶向（叶绿体/线粒体）、瞬时表达与多顺反子系统、叶绿体工程、转录因子调控、增加生物合成位点（毛状体密度）等，并以小白菊内酯和青蒿素为案例进行分析。
核心内容
该研究系统综述了通过代谢工程在微生物和植物平台高效生产倍半萜内酯（SLs）的策略，以小白菊内酯和青蒿素为典型案例。作者比较了关键基因过表达、竞争途径抑制、亚细胞器靶向（叶绿体/线粒体）、瞬时表达与多顺反子系统、叶绿体工程、转录因子调控及增加毛状体密度等多种方法，并提出了阻断目标SL进一步转化（如抑制parthenolide羟基化）的新思路。关键结果包括：在黄花蒿悬浮细胞中，联合DIMEB和茉莉酸甲酯处理使青蒿素产量提高约300倍；将ADS和FDP合酶靶向烟草叶绿体后，amorphadiene产量较胞质表达提升25,000倍；共表达AtHMGR使costunolide产量提高约4倍；表达bgl1基因使黄花蒿叶片毛状体密度增加20%，青蒿素含量在叶片中达1.4%干重、花中达2.56%干重。研究表明，增强前体供给、利用细胞器区室化、充分发挥CYP多功能氧化活性和增加生物合成位点可显著提升SLs产量，但代谢产物的进一步转化、跨膜转运及宿主特异性仍是瓶颈，未来结合合成生物学工具有望实现更多倍半萜内酯的高效生产。
创新点
系统比较小白菊内酯与青蒿素两条模式代谢工程路径；提出抑制目标SL进一步转化（如阻断parthenolide羟基化）作为新策略；强调利用CYPs的多功能氧化活性、非天然细胞器表达、多顺反子表达、增加毛状体密度等创新方法。
研究对象（15）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | ADS | Amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 催化FDP环化生成amorphadiene |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | Amorpha-4,11-diene oxidase (AMO) | 催化 | 三步氧化amorphadiene至artemisinic acid |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | DBR2 | Artemisinic aldehyde Δ11(13) double-bond reductase | 催化 | 还原artemisinic aldehyde |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | Aldehyde dehydrogenase | 催化 | 氧化醛基生成artemisinic acid |
| Tanacetum parthenium (除虫菊) | 小白菊内酯生物合成 | TpGAS | Germacrene A synthase | 催化 | 催化FDP环化生成germacrene A |
| Tanacetum parthenium (除虫菊) | 小白菊内酯生物合成 | TpGAO | Germacrene A oxidase | 催化 | 氧化germacrene A生成germacrenoic acid |
| Tanacetum parthenium (除虫菊) | 小白菊内酯生物合成 | TpCOS | Costunolide synthase | 催化 | 催化germacrenoic acid生成costunolide |
| Tanacetum parthenium (除虫菊) | 小白菊内酯生物合成 | CYP71CA1 | Parthenolide synthase (costunolide epoxidase) | 催化 | 催化costunolide环氧化生成parthenolide |
| Tanacetum parthenium (除虫菊) | 小白菊内酯生物合成 | CYP71CB1 | Parthenolide/costunolide hydroxylase | 催化 | 可羟基化costunolide和parthenolide |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟) | 倍半萜内酯生物合成 (瞬时表达) | AtHMGR | 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase | 催化 | 增强前体供给，使costunolide产量提高4倍 |
| Nicotiana tabacum (烟草) | 萜类生物合成 | ADS | Amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 靶向叶绿体使amorphadiene产量提高25,000倍 |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | bgl1 | β-glucosidase | 催化 | 增加毛状体密度，提高青蒿素含量 |
| Artemisia annua (黄花蒿) | 青蒿素生物合成 | AaWRKY1 | WRKY transcription factor | 调控 | 调控ADS基因表达 |
| Saccharomyces cerevisiae (酿酒酵母) | MVA途径 | FDP | Farnesyl diphosphate synthase | 催化 | 用于异源生产青蒿素前体 |
| Escherichia coli (大肠杆菌) | MEP/MVA途径 | — | — | — | 作为微生物底盘用于青蒿素前体生产 |
关键发现
- 用DIMEB和茉莉酸甲酯处理A. annua悬浮细胞，青蒿素产量提高约300倍
- 转棉花FDP合酶基因使青蒿素产量增加2-3倍
- 反义抑制β-石竹烯合酶使青蒿素产量提高约55%
- 将ADS和FDP合酶靶向烟草叶绿体，amorphadiene产量较胞质表达提高25,000倍
- 靶向叶绿体的倍半萜途径使萜烯积累提高100-10,000倍
- 烟草中瞬时共表达TpGAS和TpGAO使germacrene A水平降低90%
- 共表达AtHMGR使costunolide产量提高约4倍
- 表达bgl1使A. annua叶片毛状体密度增加20%、花中增加66%，青蒿素含量叶片达1.4% DW、花中2.56% DW。
研究结论
代谢工程策略可显著提高倍半萜内酯在植物和微生物中的产量，其中前体供给增强、亚细胞区室化、CYPs多功能利用和增加生物合成位点等策略效果明显；但仍需解决代谢产物进一步转化、跨膜转运及宿主特异性等问题，未来结合合成生物学工具可望实现更多SLs的高效生产。