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1、中国生物工程杂志ChinaBiotechnology,2006,26(1):60~64综述*萜类生物合成的基因操作**黄瑛曾庆平(广州中医药大学热带医学研究所广州510405)摘要萜类是一组结构迥异的化合物家族,其中很多具有较大的应用价值,如青蒿素和紫杉醇等,它们在多种微生物和植物中合成,但其天然产量低。萜类代谢工程通过DNA重组技术改造萜类合成细胞中的代谢途径,以提高萜类最终产量或在不含萜类的生物中合成萜类,为促进有用萜类合成提供了新的机会。以萜类化合物生物合成途径的基因转移与表达为切入点,综述了目前在微生物及植物中
2、应用代谢工程提高萜类产量的研究进展。关键词萜类基因转移代谢工程中图分类号Q541萜类是由异戊烷为骨架的五碳单位通过侧链重复1),IPP再经过重复叠加形成一系列异戊二烯二磷酸同连接起来的一类化合物,常称为类异戊二烯系物,在特异的萜类合酶的作用下产生各种萜类的骨(isoprenoid),可根据其所含异戊二烯单位数目不同分架(图2)。高等植物中的单萜和二萜合成的IPP来源为半萜(含一个异戊二烯单位)、单萜、倍半萜、双萜和于DXP途径,而倍半萜生物合成的IPP既可来源于三萜等。萜类广泛分布于植物及微生物初级代谢物和MVA途径,也可
3、来源于DXP途径。次生代谢物中,其中某些萜类具有重要的药用价值,如2萜类化合物代谢工程研究概况倍半萜中的青蒿素、双萜中的紫杉醇可分别作为抗疟、抗癌的有效药物。但是萜类在生物体内的产量很低,目前萜类化合物代谢工程采用的策略主要有:(1)而且分离和纯化操作复杂。同时,由于化学合成方法增加萜类代谢途径中限速步骤酶编码基因的拷贝数或收率低、成本高、毒性大,大大限制了它们的应用。利灭活代谢途径中具有反馈抑制作用的编码基因;(2)在用代谢工程改造细胞代谢途径为提高萜类产量提供了不影响细胞基本生理状态的前提下,阻断或抑制与目一个很好的操作平台
4、,国内外也已取得了很大进展,本的途径相竞争的代谢流;(3)利用已有的途径构建新的代谢旁路合成新的萜类化合物。萜类的代谢工程研究文旨在对萜类化合物的代谢工程研究进展作一概述。常在大肠杆菌和酵母中进行基因操作,植物中的操作1萜类化合物的生物合成途径目前也取得了一些进展。2.1大肠杆菌中的基因操作萜类生物合成的前体均为异戊二烯焦磷酸(IPP),部分大肠杆菌菌株经DXP途径可合成少量的类胡IPP在植物细胞质中通过乙酰CoA起始的甲羟戊酸途萝卜素(cartenoid),增加此代谢途径中关键酶基因的拷径(MVApathway)合成;在
5、植物质体、细菌、蓝细菌中经[1,2]贝数后其合成量明显提高;将萜类代谢途径中的一由丙酮酸起始的非甲羟戊酸途径(nonMVApathway),系列关键酶基因导入大肠杆菌中可构建一条新的代谢亦称5磷酸脱氧木酮糖途径(DXPpathway)合成(图途径,从而在无类胡萝卜素合成的大肠杆菌菌株中生收稿日期:20050721修回日期:20051020[3,4]成类胡萝卜素。同时,导入的关键酶基因活性的强*国家中医药管理局资助项目(02-03ZP43),广东省自然科学基[5][6]金资助项目(020799),健桥医药科技基金资助项目
6、(JQ0205)弱直接影响新生成产物的含量。Martin等为了防**电子信箱:huang_ying8121@tom.com止大肠杆菌自身基因的控制机制干扰,在大肠杆菌中2006,26(1)黄瑛等:萜类生物合成的基因操作61导入10个来自植物、真菌和其它细菌的基因,包括经戊二烯代谢途径,最终生成青蒿素合成的中间产物紫过改造后人工合成的紫穗槐二烯合酶(amorpha4,11穗槐二烯,产率达到24g石竹烯当量/m。ldienesynthase)基因,重建了一个完整而自主的植物异图1IPP生物合成的甲羟戊酸途径(a)和非甲羟戊酸途径
7、(b)Fig.1BiosynthesisofIPPandDMAPPviatheMVApathway(a)andthenonMVApathway(b)图2由IPP生成萜类化合物Fig.2BiosynthesisofterpenoidfromIPP在大肠杆菌中,萜类环化酶基因表达及萜类化合生成紫杉烯。在大肠杆菌体内,紫杉烯合酶基因与IPP物的生产受到诸多因素的限制。首先,体内异戊二烯还原酶和GGDP合酶基因同时表达时,可检测到紫杉合成前体物质的缺乏是一个重要的制约因素,如能增烯的生成,产量为0.5mg/L。若在高表达DXP合酶
8、基[8]加IPP合成途径中的关键酶基因拷贝数,将会为萜类合因时,则产量可提高2.6倍。Matthews等在大肠杆菌成提供更多的前体物质,从而改善这一缺陷。Huang中导入类胡萝卜素合成酶基因后,高表达DXS基因与[7]等
