Biosynthesis and regulation of terpenoids from basidiomycetes: exploration of new research
- 作者
- Qi Wang, Rui Cao, Yuna Zhang, Pengyan Qi, Lizhi Wang, Shiming Fang
- 杂志
- AMB Express（2021）
- DOI
- 10.1186/s13568-021-01304-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
担子菌中萜类化合物含量低、生物合成机制不清，难以满足临床应用和工业化生产需求，传统化学合成和发酵提取成本高、效率低，需要解析其生物合成途径并开发异源生产策略。
研究策略
系统综述担子菌中倍半萜、二萜、三萜的生物合成途径，总结参与萜类合成的细胞色素P450酶，并讨论利用底盘微生物异源生产担子菌萜类化合物的机遇与挑战。
核心内容
该综述系统梳理了担子菌中倍半萜、二萜和三萜的生物合成途径与调控机制，重点总结了细胞色素P450酶在萜类结构多样化中的催化作用，并探讨了基于底盘微生物的异源生产策略。作者归纳了多个关键基因的功能与表达特征：在Lignosus rhinocerotis中，12个倍半萜合酶基因有7个高表达，其中GME3638和GME3634分别合成toreyol和α-cadinol并显示细胞毒活性；在Coprinopsis cinerea中过表达cop6可使lagopodin B产量提高2.4至14倍；通过基因组挖掘从220种担子菌中鉴定出25个二萜合酶基因，其中4个在酿酒酵母中成功表达产生三种二萜。此外，Ganoderma lucidum中过表达HMGR或SE可使GA含量加倍，过表达MVD使三萜含量增加17%–101.4%；灵芝基因组中含219个CYP基因，其中CYP5150L8可催化羊毛甾醇三步氧化生成HLDOA。这些发现表明，通过关键酶基因的过表达、P450功能解析及合成生物学工具整合，可显著提升担子菌萜类化合物的产量，为药用萜类的大规模工业化生产奠定基础。
创新点
系统归纳了担子菌中倍半萜、二萜和三萜的生物合成与调控，重点总结了CYP450在萜类结构多样化中的作用，并提出了基于合成生物学的异源生产策略。
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ganoderma lucidum | MVA途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 限速酶，过表达使GA含量加倍 |
| Sanghuangporus baumii | MVA途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 11天和13天上调49.3倍和125.4倍 |
| Hypholoma sublateritium | 三萜合成 | erg1 | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 过表达使clavaric acid产量增加32%-97% |
| Ganoderma lucidum | MVA途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 过表达使SQS和LS转录上调2.28和1.73倍 |
| Ganoderma lucidum | MVA途径 | MVD | 甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶 | 催化 | 过表达使三萜含量增加17%-101.4% |
| Ganoderma lucidum | MVA途径 | SE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 过表达使GA含量为野生型2倍 |
| Ganoderma lucidum | MVA途径 | LS | 羊毛甾醇合酶 | 催化 | 过表达使lanosterol和ergosterol分别增加2.3和1.4倍 |
| Coprinopsis cinerea | 倍半萜合成 | cop6 | 萜烯环化酶 | 催化 | 过表达使lagopodin B产量提高2.4倍（随机整合）至14倍（EBA整合） |
| Postia placenta | 倍半萜合成 | CYP5344B1, CYP5348E1, CYP5348J3 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化protoilludene羟基化产生Δ6-protoilludene-8-ol和Δ6-protoilludene-5-ol |
| Lignosus rhinocerotis | 倍半萜合成 | GME3638, GME3634 | 倍半萜合酶 | 催化 | 分别产生toreyol和α-cadinol，对MCF7细胞有细胞毒活性 |
| Escherichia coli | 萜类合成 | Agr1-Agr11 | 倍半萜合酶 | 催化 | 来自Agrocybe aegerita的11个STS中9个功能表达，产生多种倍半萜 |
| Saccharomyces cerevisiae | 二萜合成 | DenTC3, SteTC1, PunTC, SerTC | 二萜合酶 | 催化 | 四个基因功能表达产生三种二萜 |
| Ganoderma lucidum | 三萜合成 | CYP5150L8 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化lanosterol经三步氧化生成HLDOA |
| Ganoderma lucidum | 三萜合成 | CYP512U6 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化C-23羟基化生成hainanic A和GAJc |
| Phanerochaete chrysosporium | 外源化合物代谢 | CYP5136A1, CYP5136A3 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 氧化多种外源化合物，与CPR共表达可提高活性 |
| Phanerochaete chrysosporium | 新烟碱类杀虫剂代谢 | CYP5037B3, CYP5147A3 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 参与三种新烟碱类杀虫剂的N-脱烷基代谢 |
| Phanerochaete chrysosporium | 脂肪酸代谢 | CYP505D6 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 自给自足型P450，具有广谱底物特性 |
关键发现
- 担子菌中倍半萜类通过MVA途径合成，HMGR为限速酶
- L. rhinocerotis中12个STS基因有7个高表达，其中GME3638和GME3634分别合成toreyol和α-cadinol并对MCF7细胞有细胞毒活性
- 在C. cinerea中过表达cop6可使lagopodin B产量提高2.4倍（随机整合）至14倍（EBA整合）
- P. placenta中16个STS基因及3个CYP（CYP5344B1、CYP5348E1、CYP5348J3）参与protoilludene羟基化
- 通过基因组挖掘从220种担子菌中鉴定25个di-TPS基因，其中4个在S. cerevisiae中功能表达产生3种二萜
- H. erinaceus基因组39.35 Mb，含9895个基因模型，FPS（HerlA4642）在菌丝中上调4倍，AACT（HerlA4929）在子实体中上调7倍，两个CYP（HerlA5908/5910）上调20倍
- S. baumii FPS在11天和13天分别上调49.3倍和125.4倍
- H. sublateritium过表达erg1使clavaric acid产量增加32%-97%
- G. lucidum中过表达HMGR使GA含量加倍，过表达FPS使SQS和LS转录上调2.28和1.73倍，过表达MVD使三萜含量增加17%-101.4%，过表达SE使GA含量为野生型2倍，过表达LS使lanosterol和ergosterol分别增加2.3和1.4倍
- G. lucidum基因组含219个CYP基因（197功能+22假基因），其中78个在菌丝到原基转化中上调，CYP5150L8可催化lanosterol三步氧化生成HLDOA，CYP512U6催化C-23羟基化生成hainanic A和GAJc
- P. chrysosporium含149个P450基因，27个高表达，其中CYP5136A1/A3、CYP5037B3/CYP5147A3、CYP505D6等功能已被鉴定。
研究结论
担子菌是萜类化合物的丰富来源，具有巨大药用潜力，但其生物合成机制仍不清楚。通过基因组挖掘、异源表达和CYP450功能解析，可加速萜类生物合成途径的阐明。未来结合合成生物学技术（如基因组合成、最小化、编辑）可创制高产工程菌株，实现药用萜类的规模化生产。