Metabolic Engineering of Higher Plants and Algae for Isoprenoid Production
- 作者
- Chase Kempinski, Zuodong Jiang, Stephen Bell, Joe Chappell
- DOI
- 10.1007/10_2014_290
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何有效地在高等植物和藻类中重构异戊二烯生物合成途径，以获得高产量目标代谢物，同时克服内源调控机制的制约。
研究策略
从宿主选择、组织/器官特异性表达、亚细胞区室靶向、内源基因表达调控、区室化利用以及藻类工程等层面，系统总结代谢工程改造植物和藻类异戊二烯代谢的策略。
研究路线图
核心内容
该研究系统总结了通过代谢工程改造高等植物和藻类生产异戊二烯类化合物的策略，重点围绕宿主选择、组织或器官特异性表达、亚细胞区室靶向、内源调控规避及合成生物学工具整合等层面展开。研究指出，利用质体、线粒体等细胞器作为异源途径隔离平台，或采用组织特异性启动子与转录因子调控，可有效提升目标产物积累。关键结果显示，在烟草中靶向线粒体共表达紫穗槐二烯合酶等基因后，青蒿素积累达5-7 μg/g干重，较细胞质靶向提高8倍；质体靶向表达法尼基焦磷酸合酶与角鲨烯合酶或丛绿藻烯合酶，可使角鲨烯等三萜积累达约500 μg/g鲜重；马铃薯中沉默番茄红素ε-环化酶并结合多基因表达，使β-胡萝卜素达47.4 μg/g干重，较对照增加3600倍。这些结果说明，通过合理组合细胞器靶向、多基因共表达和规避内源调控，植物和藻类可成为高效、低成本的异戊二烯类化合物生产平台。
创新点
强调工程设计的三个核心要素：操纵基因表达、规避内源调控、结合合成生物学工具；提出利用不同细胞器（如质体、线粒体）作为异源途径的隔离平台，以及组织特异性启动子和转录因子调控等创新策略。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | MEP/MVA途径、倍半萜生物合成 | FPS, PTS (或 ADS) | 法尼基焦磷酸合酶、广藿香醇合酶 (或紫穗槐二烯合酶) | 催化 | 质体靶向表达，将FPP导入异源倍半萜合成，积累量超过25 μg/g FW |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 三萜生物合成 | FPS, SQS (或 BS) | 法尼基焦磷酸合酶、角鲨烯合酶 (或丛绿藻烯合酶) | 催化 | 质体靶向表达，角鲨烯和丛绿藻烯积累达约500 μg/g FW |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 青蒿素生物合成 | ADS, CYP71AV1, CPR, DBR2 | 紫穗槐二烯合酶、细胞色素P450单加氧酶、细胞色素P450还原酶、青蒿醛还原酶 | 催化 | 线粒体靶向ADS与胞质酶组合，青蒿素积累5-7 μg/g DW，较胞质靶向高8倍 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 种子特异启动子过表达，β-胡萝卜素增加43倍至260 μg/g FW |
| 水稻 (Oryza sativa) | 类胡萝卜素生物合成 | PSY, PDS, LCYB | 八氢番茄红素合酶、八氢番茄红素脱氢酶、番茄红素β-环化酶 | 催化 | 金色大米，β-胡萝卜素最高1.6 μg/g胚乳 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | GPS-SSU | 香叶基二磷酸合酶小亚基 | 催化 | 来自金鱼草，改变GPP合酶链长特异性，导致果实类胡萝卜素降低5倍 |
| 玉米 (Zea mays) | 生育三烯酚生物合成 | HGGT | 尿黑酸牻牛儿基牻牛儿基转移酶 | 催化 | 胚特异启动子表达，种子生育三烯酚增加至少20倍 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 类胡萝卜素生物合成 | LCY-e | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 沉默后β-胡萝卜素提高13倍，总类胡萝卜素提高2倍 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | MVA途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | MVA途径关键限速酶，截短后可解除反馈调控 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | MEP途径 | DXS | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 | 催化 | MEP途径第一个关键酶，调控途径碳通量 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 质体丙酮酸转运 | BASS2 | 丙酮酸转运蛋白 | 转运 | 介导丙酮酸进入质体，为MEP途径提供底物 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | Or | DnaJ富含半胱氨酸结构域蛋白 | 调控 | 转录因子/调控蛋白，促进色质体形成和类胡萝卜素积累 |
| 衣藻 (Chlamydomonas reinhardtii) | 类胡萝卜素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 藻类中过表达可提高类胡萝卜素合成 |
| 雨生红球藻 (Haematococcus pluvialis) | 虾青素生物合成 | PDS | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 转化后加速虾青素积累 |
关键发现
- 金色大米中β-胡萝卜素最高达1.6 μg/g胚乳
- 拟南芥种子中过表达内源PSY使β-胡萝卜素增加43倍至260 μg/g FW
- 油菜种子表达7个外源基因后类胡萝卜素达412-657 μg/g FW（19-30倍），其中酮类胡萝卜素60-190 μg/g FW
- 玉米种子表达大麦HGGT使生育三烯酚增加至少20倍
- 烟草线粒体靶向ADS与CYP71AV1等共表达后青蒿素积累达5-7 μg/g DW，较细胞质靶向高8倍
- 烟草质体靶向FPS与PTS或ADS使非天然倍半萜积累超过25 μg/g FW
- 质体靶向FPS与SQS或BS使角鲨烯和丛绿藻烯积累达约500 μg/g FW
- 玉米组成型表达(E)-β-石竹烯合酶使叶片生物量仅为野生型的25%，挥发物释放量达542-2024 pg/h/株
- 沉默番茄红素ε-环化酶使马铃薯块茎β-胡萝卜素提高13倍，多基因联合表达使β-胡萝卜素达47.4 μg/g DW（增加3600倍），总类胡萝卜素达114 μg/g DW。
研究结论
高等植物和藻类作为自养生物，能够利用CO2合成异戊二烯类化合物，是替代微生物发酵的可行平台。通过合理选择宿主、利用组织/细胞器特异性靶向、规避内源调控以及整合多组学数据和合成生物学工具，可实现目标异戊二烯化合物的高效积累。未来应进一步精调产物积累水平，发展全生物体整合的代谢工程策略。