Natural products - modifying metabolite pathways in plants
- 作者
- Agata Staniek, Harro Bouwmeester, Paul D. Fraser, Oliver Kayser, Stefan Martens, Alain Tissier, Sander van der Krol, Ludger Wessjohann, Heribert Warzecha
- 单位
- Technische Universität Darmstadt, Plant Biotechnology and Metabolic Engineering, Darmstadt, Germany; Laboratory of Plant Physiology, Wageningen UR, AR Wageningen, the Netherlands; Centre for Systems and Synthetic Biology, School of Biological Sciences, Royal Holloway University of London, Egham, Surrey, UK; Technical University Dortmund, Technical Biochemistry, Dortmund, Germany; Food Quality and Nutrition Department, IASMA Research and Innovation Centre, Fondazione Edmund Mach, San Michele all'Adige, Trentino, Italy; Leibniz Institute of Plant Biochemistry, Weinberg, Germany
- 杂志
- Biotechnology Journal（2013）
- DOI
- 10.1002/biot.201300224
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
植物天然产物（萜类、苯丙烷类和生物碱）生物合成途径复杂、产量低，如何通过代谢工程手段提高目标化合物在植物或异源宿主中的积累水平，并实现途径的理性设计与改造。
研究策略
系统综述三大类植物次生代谢物的生物合成途径、关键基因鉴定方法、异源表达与组合生物合成策略，以及转录调控工程等代谢工程实践，并讨论当前瓶颈与未来方向。
研究路线图
核心内容
该文系统综述了通过代谢工程改造植物天然产物合成途径的研究进展。文章聚焦萜类、苯丙烷类和生物碱三大类次生代谢物，梳理了关键基因鉴定、异源表达、组合生物合成及转录调控等策略。在萜类方面，番茄中表达香叶醇合酶导致果实番茄红素下降约50%；在黄花蒿中过表达转录因子AaORA使青蒿素产量增加约50%。在生物碱方面，将细菌色氨酸卤化酶导入长春花毛状根实现了卤代生物碱的合成，ORCA3转录因子过表达可上调多个单萜吲哚生物碱基因。文章还指出，在烟草中稳定转化青蒿素基因仅获痕量产物，而本氏烟瞬时表达可通过调整基因剂量改善通量；异源表达单萜醇合酶时产物易被内源糖基化修饰。这些结果说明代谢工程改造已能有效提升部分植物产物积累，但异源底盘中的酶适配与修饰问题仍是瓶颈，未来需通过精细调控将代谢工程推进至合成生物学层面。
创新点
强调组合生物合成在植物中产生非天然新分子的可行性；总结通过转录因子调控、亚细胞区室化靶向和代谢物流重定向等策略提升产物积累；提出了从代谢工程向合成生物学转变需要解决的基础科学问题。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 萜类生物合成 | TPS | 萜烯合酶 | 催化 | 用于异源表达和功能鉴定，常去除信号肽以提高表达效率和稳定性 |
| 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) | 苯并异喹啉生物碱 (BIAs) | 多种BIA合成基因 | 多种生物碱合成酶 | 催化 | 通过精细调控不同来源基因的表达实现BIA途径异源重构 |
| 本氏烟 (Nicotiana benthamiana) | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 瞬时表达青蒿素途径基因，相对剂量影响双氢青蒿酸通量 |
| 烟草 (Nicotiana tabacum) | 倍半萜生物合成 | FDP合酶、倍半萜合酶 | 法尼基二磷酸合酶、倍半萜合酶 | 区室化 | 将酶靶向质体或线粒体，利用不同亚细胞前体池提高产物产量 |
| 烟草 | 单萜生物合成 | 柠檬烯合酶 | 柠檬烯合酶 | 催化 | 异源表达导致挥发性柠檬烯释放；添加羟化酶后生成异哌啶烯醇 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 单萜/类胡萝卜素代谢 | GES | 香叶醇合酶 | 催化 | 表达导致香叶醇衍生物形成，同时番茄红素减少约50% |
| 长春花 (Catharanthus roseus) | 单萜吲哚生物碱 (MIA) | STR | 异胡豆苷合酶 | 催化 | 催化色胺与裂环马钱子苷缩合，是MIA途径关键酶 |
| 长春花 | 单萜吲哚生物碱 (MIA) | GES | 香叶醇合酶 | 催化 | 催化香叶醇形成，是单萜环烯醚分支第一步；异源表达时产物被内源修饰 |
| 长春花 | 单萜吲哚生物碱 (MIA) | RebH/PyrH | 色氨酸卤化酶 | 催化 | 从土壤细菌引入，催化色氨酸氯化，产生卤代生物碱类似物 |
| 长春花 | MIA生物合成调控 | ORCA3 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 过表达上调多种MIA生物合成基因，增加生物碱积累 |
| 罂粟 (Papaver somniferum) | 苄基异喹啉生物碱 (BIA) | BBE | 小檗碱桥酶 | 催化 | RNAi沉默导致(S)-网脉番荔枝碱积累，而非上游前体 |
| 罂粟 | 吗啡生物合成 | COR | 可待因酮还原酶 | 催化 | 过表达增加吗啡烷类生物碱产量；RNAi沉默则导致中间产物网脉番荔枝碱积累 |
| 黄花蒿 (Artemisia annua) | 青蒿素生物合成 | AaORA | ERF/AP2转录因子 | 调控 | 过表达使青蒿素含量增加约50%，双氢青蒿酸增加35% |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 萜类生物合成 | MYC2 | MYC转录因子 | 调控 | 与DELLA蛋白互作，调控倍半萜合酶基因表达 |
关键发现
- ['异戊二烯类化合物约有40000种，生物碱已知结构超过21000种。', '在番茄中表达香叶醇合酶（GES）导致果实番茄红素水平下降约50%，果实无法呈现天然红色。', '在黄花蒿中过表达转录因子AaORA使青蒿素积累量增加约50%，双氢青蒿酸（DHAA）含量提高35%。', '将青蒿素生物合成基因稳定转化烟草仅检测到痕量青蒿素
- 在本氏烟中瞬时表达可通过调整CYP71AV1类型和基因剂量改善向双氢青蒿酸的通量。', '将细菌色氨酸卤化酶RebH和PyrH导入长春花毛状根，实现了植物体内卤代生物碱类似物的合成
- 进一步改造RebH使其优先卤化色胺，克服了体内瓶颈。', 'ORCA3转录因子过表达能上调长春花细胞系中多个单萜吲哚生物碱（MIA）生物合成基因的表达并增加生物碱积累。', '在罂粟中通过RNAi沉默小檗碱桥酶（BBE）基因导致(S)-网脉番荔枝碱大量积累，而非上游前体。', '在烟草中异源表达柠檬烯合酶可产生挥发性单萜
- 但表达单萜醇合酶时，产物容易被内源糖基化等修饰，形成非挥发性衍生物。']
研究结论
科学家们已经将投入转化为重要进展，获得了阐明和操作植物天然产物途径的策略、工具和知识。下一步需要进行可行性研究以展示产品和系统的潜力，通过改善控制和微调将代谢工程推进为合成生物学，并建立促进知识和资源共享的社区基础设施。