Advances and trends for astaxanthin synthesis in Phaffia rhodozyma

解决的核心问题

Phaffia rhodozyma中虾青素合成产量低，传统诱变育种效率低且遗传不稳定，代谢通路与调控机制复杂，缺乏理性改造靶点。

研究策略

系统综述虾青素生物合成途径，并从随机诱变、代谢工程（增强前体供给、削弱竞争途径、平衡辅因子和Crt酶活性）、发酵条件优化、基因组编辑、转录调控及新型生物技术等多方面总结提高虾青素产量的策略。

研究路线图

100%

核心内容

该文系统综述了法夫酵母中虾青素合成的代谢工程研究进展。虾青素抗氧化活性为维生素C的65倍，全球市场预计从2020年13.7亿美元增至2026年35亿美元，但法夫酵母合成产量低、传统诱变效率低且不稳定。作者从随机诱变、代谢工程、发酵优化、基因组编辑及转录调控等多层面梳理了增产策略，重点剖析了甲羟戊酸途径和类胡萝卜素合成途径关键酶（如HMGR、CrtE、CrtYB）的改造，并揭示了Sre1、WCC、MIG1等转录因子对虾青素积累的调控网络，提出REDOX失衡是触发积累的共同机制。代表性结果表明，敲除SQS1使β-胡萝卜素产量从453.9 mg/L提升至797.1 mg/L，两阶段pH策略使虾青素产量从287.8增至362.1 mg/L，而CYP61缺失可提高1.4倍。该工作为理性设计高产菌株提供了系统的靶点清单和策略框架，但指出虾青素合成受多基因协同和代谢网络约束，未来需整合多组学与AI技术突破产量瓶颈。

创新点

全面解析了P. rhodozyma中虾青素合成的转录因子调控网络（Sre1、WCC、MIG1、Dap1等），提出REDOX失衡是触发虾青素积累的共同机制，并展望将数字化概念（AI、多组学）整合入虾青素生产。

研究对象（30）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Phaffia rhodozyma	甲羟戊酸途径	AACT	乙酰-CoA乙酰转移酶	催化	催化两分子乙酰-CoA缩合生成乙酰乙酰-CoA，是MVA途径第一步
Phaffia rhodozyma	甲羟戊酸途径	HMGS	羟甲基戊二酰-CoA合酶	催化	催化乙酰乙酰-CoA与乙酰-CoA缩合生成HMG-CoA
Phaffia rhodozyma	甲羟戊酸途径	HMGR	3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA还原酶	催化	催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸，是MVA途径的关键限速酶，常被过表达以增强前体供给
Phaffia rhodozyma	甲羟戊酸途径	MK	甲羟戊酸激酶	催化	催化甲羟戊酸磷酸化生成5-磷酸甲羟戊酸
Phaffia rhodozyma	甲羟戊酸途径	PMK	磷酸甲羟戊酸激酶	催化	催化5-磷酸甲羟戊酸磷酸化生成5-焦磷酸甲羟戊酸
Phaffia rhodozyma	甲羟戊酸途径	MVD	甲羟戊酸二磷酸脱羧酶	催化	催化5-焦磷酸甲羟戊酸脱羧生成IPP
Phaffia rhodozyma	类异戊二烯途径	idi	异戊烯基焦磷酸异构酶	催化	催化IPP异构化为DMAPP，是类异戊二烯前体供给关键酶
Phaffia rhodozyma	类异戊二烯途径	ERG20	香叶基焦磷酸合酶/法尼基焦磷酸合酶	催化	催化IPP和DMAPP缩合生成GPP，进而生成FPP
Phaffia rhodozyma	类异戊二烯途径	CrtE	香叶基香叶基焦磷酸合酶	催化	催化FPP与IPP缩合生成GGPP，为类胡萝卜素合成提供C20前体
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成途径	CrtYB	八氢番茄红素-β-胡萝卜素合酶/番茄红素环化酶	催化	双功能酶，催化GGPP生成八氢番茄红素，并催化番茄红素环化为β-胡萝卜素；是类胡萝卜素合成限速步骤，过表达可提高β-胡萝卜素积累
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成途径	CrtI	八氢番茄红素脱氢酶	催化	催化八氢番茄红素依次脱氢生成番茄红素；过表达可使代谢流偏向甲苯累积
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成途径	CrtS	虾青素合酶	催化	双功能酶，具有β-胡萝卜素加氧酶和羟化酶活性，催化β-胡萝卜素转化为虾青素
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成途径	CrtR	细胞色素P450还原酶	催化	为虾青素合酶CrtS提供电子，共同完成β-胡萝卜素向虾青素的转化
Phaffia rhodozyma	甾醇合成途径	SQS1	角鲨烯合酶	催化	催化两分子FPP缩合生成角鲨烯，是与类胡萝卜素竞争FPP的关键酶；下调其表达可将β-胡萝卜素产量从453.9 mg/L提升至797.1 mg/L
Phaffia rhodozyma	甾醇合成途径	CYP61	C-22甾醇脱饱和酶	催化	参与麦角固醇合成，缺失后虾青素合成显著提高1.4倍
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素与甾醇合成调控	Sre1	甾醇调节元件结合蛋白	调控	转录因子，调控甲羟戊酸途径及CrtR表达，从而影响类胡萝卜素和甾醇合成
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成调控	WC-1/WC-2	白色-collar复合物（GATA转录因子）	调控	WCC缺失导致CrtI和CrtS表达降低，虾青素水平下降62%
Phaffia rhodozyma	碳代谢抑制调控	MIG1	MIG1转录抑制因子	调控	参与葡萄糖分解代谢物抑制，缺失后上调CrtI、CrtYB和CrtS转录，解除葡萄糖抑制
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成调控	CreA	CreA转录因子	调控	高浓度葡萄糖诱导CreA结合DNA，抑制番茄红素向β-胡萝卜素及β-胡萝卜素向虾青素的转化
Phaffia rhodozyma	转录共抑制调控	CYC8-TUP1	Cyc8-Tup1共抑制复合物	调控	与MIG1等转录因子互作，介导葡萄糖抑制；缺失可解除葡萄糖对类胡萝卜素合成的抑制
Phaffia rhodozyma	类胡萝卜素合成调控	Dap1	损伤响应蛋白1	调控	通过与细胞色素P450酶互作正调控CrtS活性，影响β-胡萝卜素向虾青素的转化
Phaffia rhodozyma	低氧基因调控	ROX1	Rox1转录抑制因子	调控	与CYC8-TUP1互作，抑制低氧基因表达，维持细胞和线粒体完整性
Phaffia rhodozyma	氧化应激调控	SKN7	Skn7转录因子	调控	响应细胞REDOX应激，与YAP1共同调节硫氧还蛋白相关基因表达
Phaffia rhodozyma	氧化应激调控	YAP6	Yap6转录因子	调控	应激相关转录因子，参与次级代谢调控
Saccharomyces cerevisiae	辅因子代谢	NADH kinase	NADH激酶	能量供给	过表达NADH激酶增强NADPH供给，促进类胡萝卜素生物合成；类似策略在Komagataella phaffii中应用
Yarrowia lipolytica	类胡萝卜素合成途径	CrtW-Z	β-胡萝卜素酮化酶-羟化酶融合蛋白	催化	融合酶CrtW-Z组装异源代谢途径，并在亚细胞器中靶向表达，实现虾青素产量858.0 mg/L
Escherichia coli	糖酵解/发酵途径	LDHA	乳酸脱氢酶	催化	敲除LDHA以解除竞争分支，增加乙酰-CoA水平，用于提高萜类产量
Chlamydomonas reinhardtii	类胡萝卜素合成途径	LCYE	番茄红素ε-环化酶	催化	CRISPR/Cas9双敲除LCYE和ZEP使玉米黄质含量提高60%，为虾青素合成提供前体
Chlamydomonas reinhardtii	类胡萝卜素合成途径	ZEP	玉米黄质环氧酶	催化	与LCYE双敲除，促进虾青素前体积累
Saccharomyces cerevisiae	类胡萝卜素合成途径	—	脂滴	区室化	通过脂滴工程实现β-胡萝卜素羟化酶和酮化酶的空间调控，虾青素产量达446.4 mg/L

关键发现

虾青素抗氧化活性为维生素C的65倍
全球虾青素市场预计从2020年13.7亿美元增至2026年35亿美元，年复合增长率16.8%
P. rhodozyma中虾青素占总类胡萝卜素90%
γ射线诱变使虾青素产量提高1.77倍
ARTP诱变使酿酒酵母虾青素产量达217.9 mg/L（13.8 mg/g），提高0.83倍
敲除SQS1使β-胡萝卜素产量从453.9 mg/L增至797.1 mg/L
删除CYP61使虾青素合成提高1.4倍
添加1 g/L硫酸铵使虾青素含量达9.06 mg/g，比对照提高64.4%
两阶段pH策略使虾青素产量从287.8增至362.1 mg/L
脉冲补料使产量达414.1 mg/L，比批式发酵高200.2%
超临界CO2萃取回收率98.3%
WCC缺失使虾青素水平降低62%。

研究结论

P. rhodozyma是生产天然虾青素的优良宿主，多种生物技术策略可显著提升产量，但虾青素合成受多基因协同和复杂调控网络限制，产量仍受宿主代谢 stoichiometry 约束。未来需深化对代谢通路和调控机制的理解，并借助数字化、智能化技术突破瓶颈，实现高效工业化生产。