王雨辰,文孟良,李銘剛,趙江源,韓秀林
1 云南大學(xué) 云南生物資源保護與利用國家重點實驗室 西南微生物多樣性教育部重點實驗室 云南省微生物研究所,云南 昆明 650091
2云南省保山市中醫(yī)藥高等??茖W(xué)校,云南 保山 678000
萜類化合物是天然產(chǎn)物中種類最多、結(jié)構(gòu)多樣性最豐富的家族之一,目前已在動物、植物和微生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)80 000余種[1],萜類在生物個體或細胞間的交流、防御和適應(yīng)性演化過程中起重要作用,具有廣泛的抗菌、抗腫瘤和抗氧化等藥理活性,其中有些還具有特殊的香氣,因而在醫(yī)藥、食品、化妝品以及生物能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值[2-3]。萜類主要從植物中提取獲得,普遍存在產(chǎn)率與純度低、成本高及易污染環(huán)境等許多問題;而萜類的立體選擇性合成難度大,導(dǎo)致萜類尚未大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用。近年來代謝工程與合成生物學(xué)的發(fā)展讓釀酒酵母Saccharomycescerevisiae和大腸桿菌Escherichia coli等微生物細胞工廠異源合成稀缺萜類成為可能[4-11],這對于資源稀缺、成本昂貴的萜類提供了新的可持續(xù)的綠色生產(chǎn)途徑 (表 1)。
來源于檀香樹Santalum album的倍半萜檀香烯和檀香醇是檀香精油的主要成分,具有重要的應(yīng)用價值。但由于檀香樹生長條件苛刻、生長期長、精油含量低且市場需求旺盛,導(dǎo)致檀香樹被過度采伐,檀香精油產(chǎn)量下滑,價格上漲[12]。如果采用微生物細胞工廠異源生物合成檀香烯和檀香醇,則能提高效率、降低成本、打破自然條件限制而有效緩解檀香精油的供需矛盾。文中對檀香烯合酶 (Santalene synthase,SaSS) 和來源于檀香樹的細胞色素 P450單加氧酶 (Cytochrome P450 monooxygenase,CYP450) 進行總結(jié),同時對生物合成檀香烯的甲羥戊酸途徑 (Mevalonate pathway,MVA) 改造的研究現(xiàn)狀進行綜述,分析蛋白質(zhì)工程在萜類合酶的成功案例,提出綜合利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)結(jié)合代謝路徑改造的方法對檀香烯生物合成進行定向改造的思路,為檀香烯和檀香醇的優(yōu)產(chǎn)研究提供參考。
市售檀香精油 (CAS No. 8006-87-9) 主要通過水蒸汽蒸餾印度檀香Santalum album、新喀里多尼亞檀香Santalumaustrocaledonicum和澳洲檀香Santalum spicatum的心材和根來獲得[13]。迄今已從S.album精油中鑒定出以倍半萜類為主的230多種香氣成分,其中 (Z)-(+)-α-檀香醇 (1) 和(Z)-(-)-β-檀香醇 (2) 是兩個最主要香氣成分;1的氣味類似雪松木和 α-雪松烯,2的豐度較低,但香氣更強烈,是S.album精油獨特香味的主要成分[14];市售S.album精油中 1的含量在41%-55%,2的含量在16%-24%,主要成分結(jié)構(gòu)式及相對含量分別見圖1和表2[15-16]。
檀香精油在動物體內(nèi)毒性較低,無致突變性,因此歐美多國均認為是公認安全的食品添加劑,雖然對人偶有刺激或致敏反應(yīng),但未見其他副作用,推薦安全劑量 0.007 4 mg/(kg·d)[13]。除用于香料和化妝品外,檀香精油及其主要成分還有鎮(zhèn)靜安神[17]、抗炎鎮(zhèn)痛[18]、抗菌[19]、抗病毒[20]、抗氧化[21]、抗腫瘤[22-23]作用,對皮膚疾病、支氣管炎、黏膜炎、抑郁失眠等具有一定的療效。但目前只有德之馨 (Symrise)、國際香精香料 (IFF)、奇華頓 (Givaudan)、芬美意 (Firmenich) 等幾個香料寡頭公司以α-龍腦烯醛為原料化學(xué)合成8個 (16–23)香氣接近檀香醇的替代品上市 (圖2),而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜,品質(zhì)還不能取代天然的檀香精油[24]。
植物中的萜類是通過位于細胞質(zhì)中的 MVA途徑和質(zhì)體中的 2-C-甲基赤蘚醇-4-磷酸 (2-C-methylerythritol-4-phosphate,MEP) 途徑合成異戊二烯 (Isoprene),進一步得到異戊烯基二磷酸
(Isopentenyl diphosphate,IPP) 和二甲基烯丙基二磷酸 (Dimethylallyl diphosphate,DMAPP),然后以 IPP和 DMAPP為單位生成香葉基二磷酸(Geranyl diphosphate,GPP)、法尼烯二磷酸(Farnesyl diphosphate,F(xiàn)PP) 和香葉基香葉烯二磷酸 (Geranylgeranyl diphosphate,GGPP) 等,根據(jù)異戊二烯 (C5) 的數(shù)量不同分為單萜 (C10)、倍半萜 (C15)、二萜 (C20)、三萜 (C30) 和四萜(C40) 等[25-26]。其中倍半萜檀香烯和檀香醇的生物合成途徑及參與合成的關(guān)鍵酶已基本清楚,首先S.album中的α-/β-檀香烯通過MVA途徑得到FPP,再經(jīng)SaSS酶環(huán)化及多重反應(yīng)合成α-、β-及epi-β-檀香烯,最后在CYP450和NADPH依賴型的細胞色素 P450還原酶 (Cytochrome P450 reductase,CPR) 協(xié)作下對 C12羥基化形成檀香醇[27-28](圖 3)。
圖1 檀香精油主要成分的結(jié)構(gòu)式[15]Fig. 1 The structures of main components of sandalwood essential oils[15].
表2 市售檀香精油主要成分的相對含量 (%)Table 2 The relative concentration (%) of the main components of commercial sandalwood essential oils
圖2 化學(xué)合成檀香氣味的上市化合物[24]Fig. 2 Commercially available sandalwood odorant compounds by chemical synthesis[24].
因此,F(xiàn)PP作為合成檀香烯等倍半萜類及其他萜類 (C≥15) 的通用底物,其產(chǎn)率直接影響目標(biāo)萜類產(chǎn)量,由于目前對宿主MVA途徑的各種酶缺乏充足的酶動力學(xué)信息,以及影響宿主代謝物質(zhì)通量的因素復(fù)雜多樣,所以很難建立一個高效、通用的系統(tǒng)來作為公共底盤細胞平臺生產(chǎn)FPP。盡管如此,朱發(fā)銀等利用大腸桿菌E.coli表達、純化來源于蘋果Malus x domestica的法尼烯合酶 (α-farnesene synthase,AFS) 及E.coli、釀酒酵母S.cerevisiaeMVA途徑中的8個關(guān)鍵酶,以乙酰-CoA為底物進行體外催化實驗,使法尼烯的產(chǎn)量達 1.1 g/L,并得知各種酶的最佳比例[29];應(yīng)用該策略生產(chǎn)番茄紅素產(chǎn)量達1.44 g/L[30]。雖然通過該策略能鑒定出代謝路徑中各種酶的比例及重要性,并簡化關(guān)鍵路徑篩選,但體外實驗無法真正模擬宿主體內(nèi)生理條件,只能作為代謝路徑優(yōu)化設(shè)計的參考;畢竟宿主的各條代謝路徑是錯綜復(fù)雜、有機聯(lián)系的,目前技術(shù)上也不具備精確表達多種蛋白質(zhì)的能力,因此在宿主體內(nèi)建立一個能精確表達代謝路徑各種酶組成的系統(tǒng)尚待完成。
圖3 檀香烯與檀香醇的生物合成途徑Fig. 3 The bio-synthetic pathway of santalene and santalenol.
Misra等最早報道S.album各組織 (愈傷組織、胚芽、種子、老樹、幼樹) 中均含有SaSS酶,提取的蛋白在體外實驗中能催化FPP合成檀香烯等產(chǎn)物,這與精油中的主要成分相吻合[31-32]。此后從S.album、S.austrocaledonicum和S.spicatum中分別克隆到SaSS基因并進行了序列測定、異源表達和功能驗證[33-34]。除此之外,從野生多毛番茄Solanum habrochaites[35]、香根草Vetiver zizanioides[36]和黃皮Clausena lansium[37]中克隆到SaSS同源基因,并進行了相關(guān)驗證(表 3)。
表3 從檀香樹等物種中得到的檀香烯合酶相關(guān)基因Table 3 The santalene synthase related genes from sandalwood and other species
微生物以其生長迅速、營養(yǎng)簡單以及基因工程操作方便和遺傳背景清晰的一系列優(yōu)點,適合作為生物合成的宿主,并且E.coli和S.cerevisiae等宿主天然含有萜類生物合成的途徑,因此多位學(xué)者利用S.cerevisiae和小立碗蘚Physcomitrella patens等作底盤細胞,構(gòu)建表達質(zhì)粒來合成檀香烯[38-41],但宿主本身的 MVA或 MEP途徑代謝效率并不高,因此需要對宿主代謝途徑的關(guān)鍵酶進行優(yōu)化,提高檀香烯的產(chǎn)量。例如Chen等過表達宿主的乙醇脫氫酶基因ADH2和NADPH依賴型醛脫氫酶基因ALD6,使用葡萄糖調(diào)節(jié)的HXT7啟動子,導(dǎo)入密碼子優(yōu)化的乙酰-CoA合成酶基因ACS,過表達乙酰-CoA?;D(zhuǎn)移酶ERG10等步驟,使乙酰-CoA朝著乙酰乙酰-CoA轉(zhuǎn)化,最終S.cerevisiae工程菌的 α-檀香烯產(chǎn)率從2.08 mg/L增加到8.29 mg/L[38];Scalcinati等將S.cerevisiae鯊烯合酶基因ERG9自帶的啟動子替換為葡萄糖敏感型啟動子HXT1,減少 FPP合成鯊烯的物質(zhì)流量,同時敲除編碼FPP脫磷酸化的2個基因LPP1和DPP1,減少 FPP向法尼醇(Farnesol) 轉(zhuǎn)化;此外過表達ERG20基因以增加IPP產(chǎn)量,讓葡萄糖富集而固醇的合成減少,增加碳代謝流偏向α-檀香烯合成,最終使S.cerevisiae工程菌的α-檀香烯產(chǎn)量達到92 mg/L,比出發(fā)菌株提高3.4倍[39-40]。此外,Zhan等通過35S啟動子調(diào)控HMGR基因表達后,使α/β-檀香烯在宿主P.patens中的產(chǎn)量達到0.039 mg/g干重,這是檀香烯在自養(yǎng)型宿主中異源表達的首次報道,開辟了光驅(qū)動宿主生產(chǎn)高價值香料的道路[41],優(yōu)化方法與結(jié)果見表4。
表4 檀香烯生物合成途徑的優(yōu)化結(jié)果Table 4 The Optimization of biosynthetic pathways for santalene
總之,α/β-檀香烯合酶表達優(yōu)化方法主要是:1) 替換啟動子,使被調(diào)控基因具備更好的可調(diào)節(jié)性,通過改變培養(yǎng)條件調(diào)節(jié)表達量;2) 增加基因拷貝數(shù)過表達目標(biāo)酶,利用強啟動子等過表達底物合成基因,增加底物量;3) 敲除或抑制代謝路徑分支點的基因,減少不必要的底物消耗;4) 對目的基因進行密碼子優(yōu)化,促進轉(zhuǎn)錄,提高目的基因與宿主的協(xié)調(diào)適應(yīng)性;5) 改變宿主類型,利用自養(yǎng)型宿主作為底盤細胞工廠,降低生產(chǎn)成本。
CYP450能以各種萜類為底物對不同位置的 C羥基化,因此能催化檀香烯的C12位羥基化,形成檀香醇[42]。多位學(xué)者通過分析挖掘S.album轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫信息,從S.album克隆得到多個CYP450基因,大部分都能催化檀香烯得到檀香醇,其中Sa-CYP76F39v1的催化率接近 100%[28,43-44]。從S.album中得到的CYP450及其催化產(chǎn)物見表5。
表5 S. album中得到的P450單加氧酶Table 5 The cytochrome P450 monooxygenase from S. album
SaSS酶屬于植物萜類環(huán)化酶中的一種,根據(jù)目前報道的植物來源萜類合酶結(jié)構(gòu),這類酶都包含相似的保守結(jié)構(gòu),能把無環(huán)的 GPP、FPP或GGPP分別環(huán)化為單萜、倍半萜或二萜類化合物。Bohlmann等綜合28種植物的33個萜類合酶家族序列和其他萜類合酶蛋白三維結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)這類酶的活性部位是1個反平行α-螺旋構(gòu)成的大中央空腔,空腔內(nèi)壁相對位置有2個富含Asp的絕對保守結(jié)構(gòu)域 DDxxD (“x”表示任意氨基酸),Asp的側(cè)鏈基團通過與 Mg2+橋接后介導(dǎo)與底物上的磷酸結(jié)合,從而誘導(dǎo)酶構(gòu)象發(fā)生改變,在活性空腔其他側(cè)鏈基團作用下,使底物 (GPP、FPP或GGPP) 上的二磷酸斷裂并從空腔逸出,脫下二磷酸的底物產(chǎn)生1個烯丙基碳正離子親電攻擊C=C雙鍵,進一步降低烴鏈對第1個環(huán)閉合的影響,促進第1個環(huán)及更多的環(huán)產(chǎn)生,而酶蛋白N-端區(qū)域在空腔入口處形成的蓋子狀結(jié)構(gòu)能維持空腔疏水性作用,防止烴鏈逃逸[45-47]?;诖?,多位學(xué)者根據(jù)萜類合酶的結(jié)構(gòu)進行了定向突變研究,方法集中在以下幾個方面。
此方法利用 X-ray衍射技術(shù),對比酶、酶結(jié)合底物類似物復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)起關(guān)鍵作用的基團從而進行定向突變,比如 Gennadios等以樹棉Gossypium arboreum的 (+)-δ-蓽澄茄烯合酶 ((+)-δ-Cadinene synthase,DCS) 為研究對象,對 DDxxD結(jié)構(gòu)域進行定向突變 (D308A),使該酶的Km值增加了 13倍[48]。同理把煙草Nicotiana tabacum的5-epi-馬兜鈴烯合酶(5-epi-aristolochene synthase,TEAS) 和天仙子Hyoscyamus muticus的 premnaspirodiene合酶(HPS) 的2個活性殘基進行對調(diào)突變,結(jié)果使這2個酶的產(chǎn)物也發(fā)生了對調(diào)[49]。
在缺乏相關(guān)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)情況下,可根據(jù)分子進化分析數(shù)據(jù)及同源蛋白中氨基酸突變概率,對大量同源基因序列及中心代謝途徑相關(guān)酶氨基酸序列進行分析,找到最保守的氨基酸殘基并對其進行定向突變。如對宿主S.cerevisiae的羥甲基戊二酸單酰-CoA還原酶 (tHMGR) 和巨冷杉Abies grandis的γ-蛇麻烯合酶 (γ-humulene synthase,HUM) 分別進行9個和6個位點定向突變,最終使宿主生長量翻了 3–4倍,γ-蛇麻烯產(chǎn)量提高近1 000倍[50],而以PDB公布的5-epi-馬兜鈴烯合酶的晶體結(jié)構(gòu)作為依據(jù),對HUM19個候選殘基定向突變,其中S484經(jīng)飽和誘變后與野生型比較產(chǎn)物提高 100–1 000倍[51]。另外,易錯PCR (Error-prone PCR) 技術(shù)也能進行定向突變,但文庫篩選工作量大,并且融合蛋白標(biāo)簽的活性并不一定能真實反映誘變蛋白活性[52]。
根據(jù) NCBI 中保守結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫 (Conserved Domain Database,CDD https://www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/) 公布的信息,SaSS酶 (Protein ID in NCBI:ADO87000,569aa) 屬于植物萜類環(huán)化酶 1類,預(yù)測 SaSS酶三維結(jié)構(gòu)是由 α-螺旋通過短小的環(huán)和轉(zhuǎn)折連接組成,包含兩個獨特的結(jié)構(gòu)域:N-末端結(jié)構(gòu)與糖苷水解酶的一個未知功能結(jié)構(gòu)類似;C-末端結(jié)構(gòu)域是催化檀香烯合成的區(qū)域,該區(qū)域的 D-螺旋和 H-螺旋分別有 D321DGYD325基序和N463DIGT467SPDE471基序,這兩個基序位于活性空腔入口的相對位置,靠近入口位置還有2個無序的A-C環(huán)和J-K環(huán)。因此認為D321DGYD325和N463DIGT467SPDE471這兩個基序在結(jié)合Mg2+后能固定底物FPP上的二磷酸基團,在此基礎(chǔ)上,J-K環(huán)形成一個蓋子在活性空腔入口處,維持空腔疏水性防止烴鏈逃逸。而參與結(jié)合Mg2+的基序在植物倍半萜合酶中很保守,一旦突變則活性喪失,因此對于定向突變則應(yīng)關(guān)注疏水性空腔的殘基[46,53-54]。所以推測其構(gòu)成蓋子部位活性殘基可能是32–39,470–471,473–476,478–481,542–545;底物結(jié)合口袋的殘基可能是 284,293,314,316–318,321,325,396,460–461,463–464,467,471,539,543,545;底物-Mg2+結(jié)合部位殘基可能是 321、325、463、467、471;富 Asp殘基是 321–325和463–471,這些殘基可作為定向進化參考位點[45-47](圖 4)。
此外,利用SWISS-MODEL在線工具 (https://swissmodel.expasy.org/) 對 SaSS酶三級結(jié)構(gòu)建模,共搜索到已公布 X-ray衍射晶體結(jié)構(gòu)的相似酶 95個,相似度 10.42%-45.49%;利用 Phyre2(http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre2/html/page.cgi?i d=index) 進行模擬建模,共搜索到同源蛋白99個,有3D模型的20個;根據(jù)CSA (Catalytic Site Atlas http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/CSA/)對已知萜類合酶的催化活性位點的標(biāo)注 (表 6),得到與SaSS酶相似度最高的12個酶蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),可考慮用相似度最高的 (+)-limonene synthase蛋白分子三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為 SaSS酶定向突變的標(biāo)準(zhǔn)模板,并結(jié)合 CDD公布的保守殘基綜合考慮,決定定向突變位點。綜合比較數(shù)據(jù)得知SaSS酶序列中的293W、545F位點是潛在的保守催化活性位點,可嘗試對這兩個位點進行定點突變來檢測活性變化。
目前各數(shù)據(jù)庫公布了很多植物來源的萜類合酶三維結(jié)構(gòu) (表 6),能利用這些數(shù)據(jù)為定向突變提供指導(dǎo),可能采取的方法及思路主要是:基于 X-ray得到酶與底物類似物結(jié)合后的復(fù)合體三維結(jié)構(gòu),分析得知活性中心中的柔性殘基(與底物結(jié)合緊密,并對催化反應(yīng)起關(guān)鍵作用,具有定向突變潛力的氨基酸殘基),然后對這些氨基酸進行定點突變;或者基于已知的同源蛋白三維結(jié)構(gòu)來模擬構(gòu)建目的蛋白三維結(jié)構(gòu),并進一步篩選活性位點的柔性殘基進行突變;也可以搜索同源蛋白的一級結(jié)構(gòu)建立數(shù)據(jù)庫,來與目的蛋白比對得到保守殘基位點,以此篩選柔性殘基并對其進行突變。在以上方法中,如何確定柔性殘基位點以及突變成何種氨基酸是實驗成功與否的關(guān)鍵。
圖4 CDD模擬SaSS未結(jié)合底物與結(jié)合底物的模型Fig. 4 The simulation model of SaSS unbound substrate and substrate binding from the CDD.
表6 與檀香烯合酶相似度最高的12種蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 6 The 12 proteins data with the highest structural similarity to SaSS
綜上所述,目前檀香烯的生物合成方法主要是通過對底盤細胞 MVA途徑中關(guān)鍵基因的上調(diào)或者下調(diào)、替換或增加高效啟動子元件、利用自養(yǎng)型宿主來替換S.cerevisiae降低資源消耗等方法,最終讓微生物細胞工廠合成檀香烯。但由于底物 FPP產(chǎn)率低及分支代謝太多使檀香烯產(chǎn)量低,改造 MVA代謝途徑也有其局限性,無論使用多高效率的調(diào)控元件來啟動目的基因表達,宿主也不可能消耗過多能量及資源來合成它自身并不需要的異源產(chǎn)物;甚至某些目標(biāo)產(chǎn)物對宿主有毒性,況且宿主的平衡調(diào)節(jié)機制也不允許自身過量表達異源產(chǎn)物。若要從根本上打破這個局限性而達到工業(yè)化生產(chǎn)要求,可從以下幾方面考慮:1) 在工程學(xué)思想的指導(dǎo)下構(gòu)建更為合理的表達模塊,結(jié)合酶動力學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的輔助分析,了解宿主 MVA代謝途徑各酶表達水平和代謝中間物質(zhì)流規(guī)律,定向改造代謝途徑,盡可能提高通用底物表達水平,最終使構(gòu)建的表達模塊更為協(xié)調(diào)、高效而合理。2) 利用基因編輯技術(shù)如 CRISPR-Cas9系統(tǒng)來對宿主S.cerevisiae的特定位點進行切割,增加宿主中表達模塊的拷貝數(shù),以利于產(chǎn)物的累積。3) 利用冷凍電鏡解析關(guān)鍵酶蛋白分子結(jié)構(gòu),結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)來分析指導(dǎo)酶蛋白定向改造策略,以及從量子水平探索酶結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,從而對目標(biāo)酶進行理性設(shè)計和定向突變,這樣能從根本上打破單純改造代謝途徑的頂板效應(yīng),大大提高酶活性甚至能得到一個全新的酶。4) 對S.cerevisiae的代謝組進行立體研究,構(gòu)建高效、精準(zhǔn)表達各種酶的宿主,為其他萜類合酶基因?qū)胩峁┩ㄓ玫妆P細胞平臺。5) 選擇更廣泛的宿主,比如自養(yǎng)型微生物或者人造S.cerevisiae(人工設(shè)計合成基因組,遺傳背景清楚,敲除了冗余無效基因的S.cerevisiae) 作宿主,利于精確的整體表達調(diào)控及節(jié)省成本。
目前我們已經(jīng)優(yōu)化合成SaSS基因及體外功能驗證,克隆到MVA途徑關(guān)鍵的ERG20和MVA基因,構(gòu)建了δ位點切割的CRISPR-Cas9系統(tǒng)及表達元件,為后續(xù)研究奠定了一定基礎(chǔ)。相信隨著量子生物學(xué)、功能基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝工程技術(shù)、計算機輔助設(shè)計、蛋白質(zhì)工程技術(shù)和組合合成生物學(xué)技術(shù)等多學(xué)科的發(fā)展和交融,越來越多重要萜類化合物會實現(xiàn)在微生物宿主中的高產(chǎn)并達到工業(yè)化生產(chǎn)的要求,開創(chuàng)微生物細胞工廠生產(chǎn)萜類化合物的綠色可持續(xù)發(fā)展的新型工業(yè)。
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