Insight into yeast: A study model of lipid metabolism and terpenoid biosynthesis
- 作者
- Cheng Hu, Wenyu Lu
- 单位
- Department of Biochemical Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University; Key Laboratory of System Bioengineering (Tianjin University), Ministry of Education; Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin)
- 杂志
- Biotechnology and Applied Biochemistry（2014）
- DOI
- 10.1002/bab.1272
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
以酿酒酵母为模式菌株，解析脂质代谢与萜类生物合成的调控机制，并探索通过代谢工程手段提高萜类化合物产量的策略
研究策略
综述脂质代谢（甾醇、磷脂、鞘脂）的天然合成与调控机制，以及利用基因工程、蛋白质工程和蛋白质融合等方法在酿酒酵母中合成萜类化合物的研究进展
研究路线图
核心内容
该文以酿酒酵母为模式菌株，系统梳理了脂质代谢与萜类生物合成的内在联系及工程改造策略。作者综述了甾醇、磷脂和鞘脂等脂质的天然合成与调控机制，并重点分析了基于内源甲羟戊酸途径和甾醇分支进行异源萜类生产的案例。在工程策略层面，文章归纳了截短HMG1（HMG-CoA还原酶）增强通量、位点饱和突变改善萜烯合酶特异性、以及蛋白质融合（如Bts1/Erg20、SmKSL/SmCPS）等手段，其中截短Hmg1可使角鲨烯产量提升10倍，在15升生物反应器中米替拉二烯产量达到365 mg/L，青蒿酸和紫杉二烯产量则分别达到100 mg/L和8.7 mg/L。此外还获得了高特异性的sibirene synthase（F321Q, M339A, M447F）等突变体。上述结果表明，将脂质代谢调控知识转化为工程设计原则，可显著推动高价值萜类在酵母中的异源合成，也为进一步整合合成生物学工具实现多产品开发提供了理论依据和可行路径。
创新点
系统总结了酿酒酵母作为模式菌株在脂质代谢和萜类合成中的应用，重点介绍了截短Hmg1、位点饱和突变、蛋白融合等提高产量的工程策略
研究对象（26）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/甾醇合成 | HMG1 | HMG-CoA还原酶1 | 催化 | 截短型tHmg1可显著提高萜类产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/甾醇合成 | HMG2 | HMG-CoA还原酶2 | 催化 | 受GGDP和氧甾醇调控降解 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/甾醇合成 | ERG9 | 角鲨烯合酶 | 催化 | 下调可增加倍半萜前体FPP流向目标产物 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路 | ERG10 | 乙酰-CoA C-乙酰转移酶 | 催化 | MVA途径第一步 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路 | ERG12 | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路 | ERG8 | 磷酸甲羟戊酸激酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路 | ERG19 | 甲羟戊酸二磷酸脱羧酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/萜类合成 | ERG20 | 香叶基/法尼基二磷酸合酶 | 催化 | 可与其他酶融合提高产量 |
| Saccharomyces cerevisiae | MVA通路/萜类合成 | BTS1 | 香叶基香叶基焦磷酸合酶 | 催化 | 与Erg20融合用于二萜合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG1 | 氧化角鲨烯合酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG7 | 羊毛固醇合酶 | 催化 | 下调可促进三萜前体积累 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG2 | 甾醇C-8异构酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG4 | 甾醇C-24还原酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG6 | 甾醇C-24甲基转移酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG25 | C-4甾醇甲基氧化酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG26 | C-3甾醇脱氢酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ERG27 | 3-酮甾醇还原酶 | 催化 | — |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | UPC2 | 转录因子Upc2 | 调控 | 调控麦角固醇合成基因转录 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甾醇合成 | ECM22 | 转录因子Ecm22 | 调控 | 与Upc2协同调控 |
| Saccharomyces cerevisiae | 磷脂合成 | OPI1 | 转录抑制因子Opi1 | 调控 | 与磷脂酸PA互作调控磷脂合成 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | ADS | 紫穗槐二烯合酶 | 催化 | 来自植物，可将FPP转化为紫穗槐二烯 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | CYP | 细胞色素P450 | 催化 | 三歩氧化紫穗槐二烯生成青蒿酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | TXS | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 来自红豆杉，合成紫杉醇前体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | SmCPS | 柯巴基焦磷酸合酶 | 催化 | 来自丹参，与SmKSL融合合成米替拉二烯 |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | SmKSL | 贝壳杉烯合酶样酶 | 催化 | 与SmCPS融合，米替拉二烯产量达365 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 萜类合成 | γ-humulene synthase | γ-蛇麻烯合酶 | 催化 | 通过位点饱和突变改变产物特异性 |
关键发现
- 文章报道了具体产量数据：青蒿酸产量达100 mg/L
- 紫杉二烯产量达8.7 mg/L
- 截短Hmg1使角鲨烯产量提高10倍
- 通过融合Bts1/Erg20及SmKSL/SmCPS等，在15-L生物反应器中米替拉二烯产量达365 mg/L
- 天然橡胶年产量约1×10^7吨。此外，通过位点饱和突变获得了sibirene synthase (F321Q, M339A, M447F)和E-β-farnesene synthase (W315P)等高特异性萜烯合酶。
研究结论
酿酒酵母作为真核模式微生物，其脂质代谢研究对理解细胞生理和人类疾病具有重要价值；其内源MVA途径和甾醇合成途径为萜类化合物的工程化合成提供了平台，通过基因工程、蛋白质工程和蛋白质融合等手段已实现多种高价值萜类的生产，未来需进一步整合合成生物学技术以开发更多新产品。