細(xì)胞培養(yǎng)和藥用化合物的合成.ppt

1、細(xì)胞培養(yǎng)與藥物的工程生產(chǎn),1.前言 2.次生代謝產(chǎn)物的生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué) 2.1異喹啉生物堿合成 2.2萜類(lèi)吲哚生物堿生物合成 2.3托烷生物堿和煙堿合成 3.細(xì)胞培養(yǎng)與次生代謝物的生產(chǎn) 3.1建立高代謝物生產(chǎn)線 3.2器官分化和次生植物產(chǎn)品 3.3生產(chǎn)率的遺傳不穩(wěn)定 4. 逾越屏障：利用分子生物學(xué)手段提高植物細(xì)胞的次生代謝物產(chǎn)量 4.1克服代謝途徑的限速過(guò)程 4.2基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和整體激活 4.3次生代謝物的定性控制和生物合成目的基因的隔離 4.4次生代謝物的積累和存儲(chǔ) 5. 未來(lái)展望 6. 結(jié)語(yǔ),高等植物是藥用化合物的豐富來(lái)源。然而，許多藥用植物，由于種植技術(shù)上的困難以及經(jīng)濟(jì)上的原因，仍

2、然只能從野外獲取。藥用化合物要求的增加和植物可利用性的大幅減少增加了通過(guò)替代途徑生產(chǎn)藥用化合物的壓力，尤其是使用細(xì)胞/組織培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因植物。此外，優(yōu)質(zhì)原材料的需求也有增加。1970年之前，從細(xì)胞培養(yǎng)獲得次生代謝物的產(chǎn)量普遍低于那些從植物中獲得的產(chǎn)量。然而，一些細(xì)胞培養(yǎng)可以有相當(dāng)大的生產(chǎn)力，并在某些情況下，其產(chǎn)量超過(guò)目前一些完整的植物體。目前對(duì)于操縱次生代謝產(chǎn)物代謝的分子和細(xì)胞生物學(xué)進(jìn)展的了解，為細(xì)胞/器官培養(yǎng)和轉(zhuǎn)基因植物中次生代謝物的商業(yè)化生產(chǎn)提供了樂(lè)觀的基礎(chǔ)。我們總結(jié)了生物堿最近研究取得的進(jìn)展作為一個(gè)主要的模式并討論控制其生產(chǎn)率和質(zhì)量的因素，側(cè)重于器官分化，遺傳不穩(wěn)定性，代謝途徑的限速酶，基

3、因轉(zhuǎn)錄監(jiān)控機(jī)構(gòu)，次生代謝物的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。,1前言,高等植物產(chǎn)生多種化學(xué)品。迄今已確定超過(guò)25,000種萜類(lèi)，約12,000種生物堿，8000種酚類(lèi)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)可在植物中提供多種功能。它們抵御草食動(dòng)物和病原體，套種的競(jìng)爭(zhēng)援助，吸引有益生物，如授粉者，并有對(duì)于非生物脅迫如紫外線的照射，溫度變化，水的狀態(tài)，和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的保護(hù)作用。此外，許多植物生產(chǎn)的次生代謝產(chǎn)物被用來(lái)作為香料，染料，芳香劑，調(diào)味劑，或人類(lèi)的藥品。這些化學(xué)物質(zhì)中的許多還可以通過(guò)多種不同的方式促進(jìn)人類(lèi)健康和豐富我們的生活。,2次生代謝產(chǎn)物的生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué),許多植物中的次生代謝產(chǎn)物不僅做為藥品，同時(shí)也作為膳食補(bǔ)充劑和功能食品促進(jìn)

4、人類(lèi)的健康。植物生產(chǎn)的重組蛋白和植物療法同等重要。由次生代謝產(chǎn)物功能和結(jié)構(gòu)的不同而分為幾個(gè)主要群體。萜類(lèi)化合物和類(lèi)固醇，這是由異戊二烯基團(tuán)形成，包括抗腫瘤藥二萜類(lèi)紫杉醇；抗瘧倍半萜類(lèi)青蒿素；薯蕷皂甙元，口服避孕藥和激素類(lèi)藥物的前體；抗強(qiáng)心劑地高辛甾苷；來(lái)至于派生莽草酸途徑的苯丙醇；包括抗腫瘤藥物木酚素，鬼臼毒素；生物堿是一種含氮的堿性有機(jī)化合物，包括許多具有生物活性的化學(xué)品如毒芹堿，咖啡因，嗎啡，尼古丁，和馬錢(qián)子堿等。我們這里重點(diǎn)研究生物堿，理由是其具有相對(duì)較高的有益的生物活性，尤其是異喹啉生物堿，萜吲哚生物堿，和托烷生物堿，是目前正在深入研究的主題。,1Morphine 嗎啡 2Acetyl

5、 salicylic acid乙酰水楊酸 3Artemisinin青蒿素 4Paclitaxel (Taxol) 紫杉醇（泰素） 5Podophyllotoxin鬼臼毒素,2.1異喹啉生物堿合成,異喹啉生物堿是一個(gè)龐大和多樣化的生物堿約有2500組定義結(jié)構(gòu)。它們包括從罌粟屬植物獲得的鎮(zhèn)痛嗎啡，從秋水仙中提取的秋水仙堿，從吐根屬吐根中獲得的催吐藥和依米丁，從馬錢(qián)子屬植物中獲得的骨骼肌松弛劑，從小檗堿屬和血根堿屬植物物種中提取的抗菌化合物筒箭毒堿和黃連素等。其中有許多異喹啉生物堿都是作為藥品使用。,異喹啉生物堿合成開(kāi)始于酪氨酸通過(guò)羥化，脫羧，脫氨轉(zhuǎn)化為多巴胺和4- 羥基苯乙醛。在這些早期步驟，只有

6、酪氨酸/多巴脫羧酶，分別把酪氨酸和多巴胺轉(zhuǎn)換成其相應(yīng)的胺，這種酶已被純化和修飾。這種小的基因家族已從罌粟中分離而且每個(gè)亞科已被證明有明顯的發(fā)育和誘導(dǎo)表達(dá)模式。 TYDC基因家族的成員分為兩組（TYDC1和TYDC2），其在罌粟中表達(dá)存在差異。在成熟的植物體中，TYDC2在莖和根系中存在，并占主導(dǎo)地位。而TYDC1只在根部存在。,多巴胺和4 - 羥基苯乙醛被NCS（烏藥堿合酶）濃縮為（S）norcoclaurine，這是合成所有異喹啉類(lèi)生物堿的前體。近日，NCS已被從培養(yǎng)的唐松桿菌中純化和修飾。 研究還表明，從培養(yǎng)的黃連粳稻細(xì)胞分離的一種新型加雙氧酶也促進(jìn)NCS的反應(yīng)。 TYDC（酪氨酸/多巴脫

7、羧酶）、TfNCS和CjNCS在擬南芥或大米中的同源性表明，這些基因或者有其他的基本生物學(xué)作用，或者在異喹啉生物合成途徑是普遍存在的，即使擬南芥或水稻中TfNCS和CjNCS的同源性相對(duì)較低，而且并沒(méi)有在水稻和擬南芥中發(fā)現(xiàn)異喹啉生物堿。STR（異胡豆苷合酶，催化萜類(lèi)生物堿的關(guān)鍵反應(yīng)）基因也在動(dòng)物和擬南芥中被發(fā)現(xiàn)。 （S）Norcoclaurine是按順序地被依賴于S -腺苷蛋氨酸（SAM）的烏藥堿6-o-甲基轉(zhuǎn)移酶先轉(zhuǎn)換成烏藥堿；再被N 烏藥堿甲基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)換為N 甲基烏藥堿；然后由細(xì)胞色素P450羥化酶轉(zhuǎn)化為3-羥化-N-甲基化烏藥堿，最后由3-羥化-N-甲基化烏藥堿4- O -甲基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)化

8、生成牛心果堿。詳細(xì)的研究這些重組酶，發(fā)現(xiàn)其有嚴(yán)格的反應(yīng)特異性，協(xié)調(diào)生物合成按照一定的方式和順序進(jìn)行。,各種異喹啉生物堿生物合成途徑。不間斷的箭頭表明單一的酶轉(zhuǎn)換和斷箭表明多種酶的步驟，以粗體顯示相應(yīng)已被克隆的酶基因。,2.2萜類(lèi)吲哚生物堿生物合成,萜類(lèi)吲哚生物堿包括約3000種化合物，包括從馬達(dá)加斯加長(zhǎng)春花中獲得的抗腫瘤藥長(zhǎng)春堿，喜樹(shù)中的喜樹(shù)堿，并從金雞納屬植物中獲取的抗瘧藥奎寧。萜類(lèi)吲哚生物堿生物合成的中間產(chǎn)物是異胡豆苷，這是由異胡豆苷合成酶催化色胺和環(huán)烯醚萜葡糖苷開(kāi)鏈馬錢(qián)子甙合成的。色胺是由色氨酸脫羧酶催化色氨酸產(chǎn)生。,催化開(kāi)鏈馬錢(qián)子甙生物合成二個(gè)步驟中的酶都依賴于細(xì)胞色素P450：香葉醇

9、 10-羥化酶把香葉醇轉(zhuǎn)化為10-羥化香葉醇，而開(kāi)鏈馬錢(qián)子甙合成酶催化馬錢(qián)子甙轉(zhuǎn)化為開(kāi)鏈馬錢(qián)子甙。萜類(lèi)化合物的前體的供應(yīng)是萜吲哚生物堿生物合成的限速步驟，香葉醇10-羥化酶的活性也和生物堿的積累成正相關(guān)性。異胡豆苷合成酶是一個(gè)萜類(lèi)生物堿生物合成的關(guān)鍵酶，其cDNA已被從印度蘿芙木和長(zhǎng)春花中分離。異胡豆苷被異胡豆苷葡糖苷酶去糖基化，然后通過(guò)幾個(gè)不穩(wěn)定的中間體進(jìn)行轉(zhuǎn)化。,各種萜吲哚生物堿生物合成途徑。不間斷的箭頭表明單一的酶的轉(zhuǎn)換和虛線箭頭表示多種酶的步驟，以粗體顯示相應(yīng)已被克隆的酶基因。,2.3托烷生物堿和煙堿合成,托烷生物堿主要存在于茄科，包括抗膽堿藥物阿托品，莨菪堿，東莨菪堿和麻醉藥可卡因。

10、腐胺N-甲基是托烷生物堿合成的前體，也是尼古丁合成的中間途徑。腐胺N-甲基由鳥(niǎo)氨酸或精氨酸分別在鳥(niǎo)氨酸脫羧酶或精氨酸脫羧酶催化脫羧所生產(chǎn)。托烷生物堿和尼古丁合成與多胺代謝也密切相關(guān)。托烷/尼古丁生物堿生物合成的第一個(gè)關(guān)鍵步驟是由丁二胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶催化，它與亞精胺合成酶有高度的同源性。甲基腐胺隨后由二胺氧化酶脫氨基，然后自發(fā)環(huán)化反應(yīng)形成N -甲基- 1-咯啉陽(yáng)離子。后者被認(rèn)為給托烷環(huán)或煙酸形成尼古丁提供了一個(gè)前體，但是具體細(xì)節(jié)并不清楚。,莨菪酮是托烷生物堿合成的一個(gè)分支點(diǎn)?？捎蓛蓚€(gè)相關(guān)的脫氫酶催化，托品酮還原酶I催化其生成托品堿和托品酮還原酶催化其生成&-托品堿，在煙草樟子松中，尼古丁生物合

11、成的基因被茉莉酸甲酯的外源性應(yīng)用激活，但這種激活作用有效抑制了乙烯同步處理，即使乙烯和茉莉酸通常被認(rèn)為是相互協(xié)同作用。相比之下用茉莉酸甲酯處理顛茄的根并沒(méi)有導(dǎo)致顛茄丁二胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶基因的上調(diào)表達(dá)。托烷生物堿和尼古丁生物合成的不同反應(yīng)說(shuō)明了這些生物合成可能由不同的基因調(diào)控系統(tǒng)控制。,托烷生物堿，相關(guān)的化合物和尼古丁的生物合成途徑。不間斷的箭頭表示單酶轉(zhuǎn)換和斷箭頭表示多個(gè)酶的步驟。以粗體顯示相應(yīng)已被克隆的酶基因。,3.細(xì)胞培養(yǎng)與次生代謝物的生產(chǎn),當(dāng)我們?cè)隗w外培養(yǎng)植物細(xì)胞時(shí)，不同類(lèi)型的體系生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的能力不同。一類(lèi)代謝產(chǎn)物產(chǎn)生在未分化的細(xì)胞的體外培養(yǎng)，而另一類(lèi)代謝產(chǎn)物產(chǎn)生在培養(yǎng)體系條件差異化

12、的系統(tǒng)中，例如，幼苗或根培養(yǎng)。在某些情況下，細(xì)胞在再分化后會(huì)失去藥用化合物生物合成潛力，即完全喪失其自然的生物合成潛力。例如嗎啡烷生物堿不在未分化的罌粟培養(yǎng)體系中生成。而另外幾個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)如罌粟和山茶花，產(chǎn)生大量的與異喹啉生物堿結(jié)構(gòu)相關(guān)的產(chǎn)品，血根堿和黃連素。有趣的是嗎啡，血根堿，黃連素的合成都是通過(guò)酪氨酸轉(zhuǎn)化成相同的中間體，牛心果堿，表明在代謝途徑的早期步驟并不確定細(xì)胞培養(yǎng)的最終產(chǎn)品。,3.1建立高代謝物生產(chǎn)線,雖然一些代謝產(chǎn)物可以在細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生，但建立一個(gè)高收益的培養(yǎng)體系是代謝物商業(yè)化必不可少的部分，要求培養(yǎng)體系有較高的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，起始原料應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)倪z傳多樣性。因此，實(shí)證試驗(yàn)需要

13、建立合適的代謝產(chǎn)物生產(chǎn)力細(xì)胞株。例如，H.niger是一個(gè)良好的植物物種通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)托烷生物堿。但與完整的植株相比，顛茄和曼陀羅細(xì)胞培養(yǎng)體系生產(chǎn)代謝物的效率較低。 培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件，包括溫度、光照、通氣等等是重要的因素。其他因素如剪切壓力，氣體成分，細(xì)胞密度也是擴(kuò)大細(xì)胞培養(yǎng)規(guī)模的重要條件。例如，黃連素的生產(chǎn)要求更高，因?yàn)槊總€(gè)生物合成步驟都需要氧氣供應(yīng)。同樣，照明可提高長(zhǎng)春花生產(chǎn)萜吲哚生物堿的能力。細(xì)胞培養(yǎng)優(yōu)化條件的機(jī)制還沒(méi)研究清楚，一個(gè)詳細(xì)的生物合成途徑表征和調(diào)控機(jī)制可能有助于了解細(xì)胞培養(yǎng)的優(yōu)化條件。,此外，選擇高且穩(wěn)定的生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的細(xì)胞是至關(guān)重要的。由于植物細(xì)胞在開(kāi)發(fā)過(guò)程中其套數(shù)條件的

14、改變和細(xì)胞培養(yǎng)誘導(dǎo)自發(fā)突變，選擇的細(xì)胞應(yīng)建立一個(gè)有效的高代謝物生產(chǎn)線，而且連續(xù)的細(xì)胞培養(yǎng)常常會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性。高而穩(wěn)定的生產(chǎn)代謝物的細(xì)胞培養(yǎng)的維持也很重要，因?yàn)榕囵B(yǎng)條件發(fā)生微妙的變化可以輕松地改變細(xì)胞的表型。一個(gè)內(nèi)源性的因素，對(duì)生產(chǎn)效率的影響即是對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生代謝產(chǎn)物可行性的影響。由于許多代謝產(chǎn)物的生物活性，即細(xì)胞毒性，這些化學(xué)物質(zhì)的大量積累可誘發(fā)細(xì)胞死亡或生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，例如，黃連素抑制生產(chǎn)黃連素植物細(xì)胞的生長(zhǎng)。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)的異位表達(dá)避免細(xì)胞毒性明確表明，如果細(xì)胞缺乏解毒/隔離的機(jī)械或耐受體系，代謝產(chǎn)物本身可能是有毒的。雖然穩(wěn)定的細(xì)胞培養(yǎng)所需的重要因素尚未確定，我們的經(jīng)驗(yàn)表明，生長(zhǎng)緩慢的細(xì)胞更穩(wěn)定。這

15、可能是由于生長(zhǎng)緩慢的細(xì)胞存在低的分裂和突變頻率，以及主要代謝產(chǎn)物與細(xì)胞生長(zhǎng)和次生代謝物之間的競(jìng)爭(zhēng)較少，觀察的結(jié)果是細(xì)胞生長(zhǎng)和生物堿產(chǎn)量之間往往呈負(fù)相關(guān)性的。,3.2器官分化和次生植物產(chǎn)品,對(duì)于第二種情況，代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生在器官分化的過(guò)程中，植物器官培養(yǎng)是一種大規(guī)模的合適替代。土壤農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化的毛狀根，也已發(fā)現(xiàn)適合生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物，由于其在無(wú)激素的培養(yǎng)條件下穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。還有幾個(gè)藥用植物物種也成功地以這種方式進(jìn)行了轉(zhuǎn)變。雖然這種類(lèi)型的代謝產(chǎn)物生產(chǎn)體系提供了穩(wěn)定的材料和一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域，但毛狀根的形成如何影響代謝產(chǎn)物的機(jī)理尚不明確。毛狀根系統(tǒng)有一個(gè)更復(fù)雜的調(diào)節(jié)水平因?yàn)槠浣M織機(jī)構(gòu)和集成轉(zhuǎn)基因的影響

16、。 在高等植物和其它復(fù)雜的有機(jī)體中，某幾個(gè)代謝途徑能依靠一般的有機(jī)體的發(fā)展而進(jìn)行，包括器官，組織，特別是專(zhuān)門(mén)細(xì)胞的發(fā)展。幾個(gè)次生化合物的生物合成和積累發(fā)生在一個(gè)生物體發(fā)育過(guò)程的特定階段?；衔镌谄鞴俸徒M織的合成不一定高水平的積累，例如，托烷生物堿在顛茄屬植物根中和尼古丁生物堿在煙草根中生成然后輸送到植物地上部分。,對(duì)于次生代謝物依賴特定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)展到何種程度的機(jī)制尚不清楚。罌粟植物有專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)次生代謝物儲(chǔ)存的異形細(xì)胞和排泄的乳汁細(xì)胞。萜類(lèi)吲哚和托烷生物堿也需要類(lèi)似的細(xì)胞合作：異甲羥戊酸途徑的酶和香葉醇 10-羥化酶產(chǎn)生10羥化香葉醇存在于韌皮部?jī)?nèi)薄壁細(xì)胞中，色氨酸脫羧酶和異胡豆苷合成酶，作用于

17、萜類(lèi)吲哚生物堿合成途徑的早期，存在于表皮細(xì)胞中，而長(zhǎng)春花朵靈脫乙酰 4-O-羥化酶和長(zhǎng)春花朵靈脫乙酰 4-O-乙酰轉(zhuǎn)移酶，作用于合成途徑的后期，存在于植物地上部分的異形細(xì)胞中。丁二胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶作用于托烷生物堿的合成，存在于在皮層和內(nèi)皮層細(xì)胞中，天仙子胺-6-羥化酶作用于合成的最后一步，存在于根中柱鞘細(xì)胞中。這些結(jié)果表明，中間體應(yīng)該驅(qū)動(dòng)反應(yīng)從開(kāi)始到結(jié)束。為了每個(gè)特定的代謝反應(yīng)，形態(tài)分化的細(xì)胞需要功能分化。然而，功能和形態(tài)分化之間的聯(lián)系的分子基礎(chǔ)目前尚不清楚。事實(shí)上，這種觀察可以解釋為什么生產(chǎn)一些代謝產(chǎn)物需要器官分化。例如，托烷生物堿合成的關(guān)鍵酶天仙子胺-6-羥化酶的過(guò)度表達(dá)可以提高細(xì)胞培養(yǎng)

18、生產(chǎn)東莨菪堿的產(chǎn)量。,3.3生產(chǎn)率的遺傳不穩(wěn)定,生產(chǎn)率損失是工業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵因素。前面提到過(guò)維護(hù)連續(xù)培養(yǎng)的細(xì)胞將導(dǎo)致突變的積累。目前，避免生產(chǎn)率突變損失的唯一手段是冷凍保存，盡管一些實(shí)證試驗(yàn)表明，反復(fù)選擇穩(wěn)定的細(xì)胞生產(chǎn)體系可以克服這個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，篩選的山茶花細(xì)胞顯示了完整的18條數(shù)目的染色體，而其他細(xì)胞系表現(xiàn)出相當(dāng)不同數(shù)目的染色體。需要進(jìn)一步研究，以確定如何在細(xì)胞培養(yǎng)中控制自發(fā)突變和后成的遺傳修飾。,生物合成活性的波動(dòng)更頻繁地被觀察，尤其是在連續(xù)傳代培養(yǎng)中。舉例來(lái)說(shuō)，高生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)基因株系中生物堿的積累表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定，受培養(yǎng)條件的影響較強(qiáng)烈。由于初生代謝和次生代謝相互爭(zhēng)奪培養(yǎng)基基質(zhì)，快

19、速生長(zhǎng)的細(xì)胞很可能消耗完培養(yǎng)基，以至于在生產(chǎn)次生代謝物時(shí)無(wú)能源可利用，也就是細(xì)胞快速生長(zhǎng)但生物堿產(chǎn)量低。細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物的優(yōu)化是工業(yè)化的重要問(wèn)題。我們特別點(diǎn)到的兩個(gè)步驟是分別促進(jìn)細(xì)胞培養(yǎng)生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量是克服這些制約因素所必需的。 活性波動(dòng)的另一個(gè)原因是代謝產(chǎn)物的輸送。我們有時(shí)會(huì)遇到細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的變化，這表明代謝也不是一成不變的。最近生物堿的代謝產(chǎn)物喜樹(shù)堿的剖面分析表明蒽醌類(lèi)，它可以被認(rèn)為是植物抗毒素，存在于毛狀根和愈傷組織提取物中，不存在于分化的小蛇根草中。這僅僅是一個(gè)例子說(shuō)明分化的植物和毛狀根愈傷組織成分的差異。罌粟細(xì)胞生產(chǎn)嗎啡烷生物堿的生產(chǎn)率低可能由于中間體在苯并啡叮生物堿中被

20、積極輸送而不是在嗎啡烷生物堿中。一個(gè)詳細(xì)代謝流的分子特性應(yīng)該是有幫助的而且可以闡明導(dǎo)致生產(chǎn)率較低的機(jī)制。,4. 逾越屏障：利用分子生物學(xué)手段提高植物細(xì)胞的次生代謝物產(chǎn)量,基因工程技術(shù)建立后，代謝途徑的修改和基因調(diào)控次生代謝成為可能。事實(shí)上，如果我們能夠提高生產(chǎn)率，或通過(guò)減少培養(yǎng)時(shí)間或增加代謝產(chǎn)物的水平，那么次生代謝產(chǎn)物的工業(yè)化生產(chǎn)是比較可行的。此外，或可能通過(guò)減少不必要的途徑，以改善代謝產(chǎn)物的質(zhì)量，或引入新的途徑，以產(chǎn)生新的化合物，或完全切斷某個(gè)途徑以積累中間體。這種代謝工程將植物細(xì)胞修改成為“綠色化學(xué)工廠”以獲得所需的化合物。在下面的章節(jié)中，我們討論如何用遺傳工程可以有助于消除在細(xì)胞培養(yǎng)或完

21、整的植物代謝途徑的障礙。一個(gè)結(jié)果表明，改造細(xì)胞本身可能有效地克服這些障礙。被根瘤土壤桿菌和毛根土壤桿菌轉(zhuǎn)化了的長(zhǎng)春花能穩(wěn)定的生成長(zhǎng)春花朵靈，這不是在細(xì)胞培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)的。這種轉(zhuǎn)化細(xì)胞的代謝活動(dòng)說(shuō)明生物堿生物合成所需的細(xì)胞特異性類(lèi)型表達(dá)不一定在任何情況下都是必要的可能性。,克服植物細(xì)胞生產(chǎn)代謝產(chǎn)物局限性的策略 1）預(yù)先存在的途徑（2）早期的限速步驟過(guò)度表達(dá)，明確監(jiān)管和的產(chǎn)生過(guò)量的代謝產(chǎn)物（3）建立一個(gè)新的分支途徑產(chǎn)生新的化合物F和增加庫(kù)強(qiáng)度（4）減少不需要的途徑，以提高代謝流所需的路徑（5）轉(zhuǎn)錄因子的過(guò)度表達(dá)同時(shí)激活整個(gè)生物合成途徑（6）生物合成酶基因的突變或表達(dá)下調(diào)來(lái)積累中間途徑,4.1克服代謝途

22、徑的限速過(guò)程,如果我們能確定限速步驟和隔離靶基因，限速酶的過(guò)度表達(dá)對(duì)于所需藥物化合物的積累有好處。關(guān)鍵的一點(diǎn)是確定限速步驟。前期的步驟被推測(cè)成整個(gè)代謝途徑的限速步驟，次生代謝產(chǎn)物前期酶簡(jiǎn)單的過(guò)度表達(dá)通常沒(méi)有足夠的誘導(dǎo)能力來(lái)合成所需的最終產(chǎn)品，由于缺乏足夠的后期酶誘導(dǎo)。這些研究表明，整體和綜合的調(diào)控生物合成途徑是至關(guān)重要的。 其他研究也旨在通過(guò)托烷生物堿和尼古丁的生物合成途徑增加通量。因此，煙草的丁二胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶基因在顛茄和樟子松中過(guò)度表達(dá)。雖然丁二胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶活力在顛茄中增長(zhǎng)了3.3倍，觀察只有甲基腐胺水平升高，生物堿含量沒(méi)有增加。轉(zhuǎn)基因植株丁二胺-N-甲基轉(zhuǎn)移酶的過(guò)度表達(dá)體現(xiàn)在尼

23、古丁含量增加40，而在相同情況下野生型中只有3的增加量。一個(gè)途徑中的某些步驟可能是限速的，在大多數(shù)情況下由于編碼基因的過(guò)度表達(dá)，立刻會(huì)露出新的限速步驟。,4.2基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和整體激活,由于研究次生代謝生物合成途徑存在難度，研究人員孤立了幾個(gè)一般的生物合成基因并修飾其啟動(dòng)子序列，尤其是花青素的生物合成?；ㄇ嗨厣锖铣傻姆肿犹匦允且粋€(gè)成功的轉(zhuǎn)錄調(diào)控代謝產(chǎn)物的應(yīng)用程序，也就是說(shuō)，引進(jìn)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子- R和C1在一個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)中和最近激活標(biāo)記方法所取得的成功顯示這些方法的高潛力和光明的未來(lái)。 ORCA的表達(dá)是由茉莉酸誘導(dǎo)。長(zhǎng)春花細(xì)胞培養(yǎng)中ORCA3的異位表達(dá)增加了萜類(lèi)生物堿合成中異胡豆苷合成酶、色氨酸脫

24、羧酶、P450細(xì)胞色素還原酶、長(zhǎng)春花朵靈脫乙酰 4-O-羥化酶基因的表達(dá)，但不調(diào)控香葉醇 10-羥化酶和長(zhǎng)春花朵靈脫乙酰 4-O-乙酰轉(zhuǎn)移酶的基因編碼。轉(zhuǎn)基因細(xì)胞ORCA3的過(guò)度表達(dá)顯著積累了色氨酸和色胺。然而，由于沒(méi)有檢測(cè)到萜吲哚生物堿，萜類(lèi)分支的途徑仍然對(duì)萜類(lèi)生物堿生產(chǎn)有限制。雖然ORCA3在調(diào)節(jié)萜吲哚生物堿生物合成中起著重要的作用，但是它沒(méi)有足夠的能力去調(diào)控整個(gè)代謝途徑。這表明其它的轉(zhuǎn)錄因素也參與其中。如上所述，整個(gè)代謝途徑調(diào)控會(huì)更復(fù)雜，因?yàn)樾玛惔x的空間和發(fā)展一體化的需要。,4.3次生代謝物的定性控制和生物合成目的基因的隔離,為了植物細(xì)胞生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物能被成功的工業(yè)化應(yīng)用，代謝產(chǎn)物的

25、數(shù)量和質(zhì)量都必須改進(jìn)，那就是，控制代謝物的屬性是重要的。通過(guò)引入一個(gè)新基因來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的分支生產(chǎn)新型化合物是一種修改屬性的好方法。為了達(dá)到這個(gè)目的，至少有兩種可能的方法。一種是使用生物技術(shù)的方法來(lái)生產(chǎn)所需的化合物，也就是完整的設(shè)計(jì)一個(gè)在簡(jiǎn)單和迅速增長(zhǎng)的微生物系統(tǒng)或他們使用的生物轉(zhuǎn)化體系中的生物合成途徑的異源表達(dá)。重組酶將提供新的催化活動(dòng)，而在完整的細(xì)胞中其活性低，往往使這種評(píng)價(jià)困難。微生物酶已被證明是有益的生物轉(zhuǎn)化化學(xué)品。植物酶更可能作為生物催化劑，雖然他們有相當(dāng)高的底物特異性，例如，細(xì)胞色素P450，開(kāi)鏈馬錢(qián)子甙合酶 。,另一種方法是在一個(gè)已經(jīng)存在的生物合成途徑中引入一個(gè)新的分支途徑。在一個(gè)

26、已經(jīng)存在的途徑中創(chuàng)建一個(gè)新的分支的重點(diǎn)是引進(jìn)基質(zhì)親和力特異性酶。引進(jìn)山茶花金黃紫堇堿 9-O-甲基轉(zhuǎn)移酶的cDNA到花菱草細(xì)胞后，生物堿的屬性完全被改變。說(shuō)明了山茶花金黃紫堇堿 9-O-甲基轉(zhuǎn)移酶優(yōu)于華菱草合酶。產(chǎn)物從生成血根堿變成生成非洲防己堿。然而，植物細(xì)胞并不總是天生顯示一個(gè)新的途徑，就是一個(gè)新引入的途徑可以為進(jìn)一步的酶轉(zhuǎn)化提供底物，并產(chǎn)生了在野生型細(xì)胞中未檢測(cè)到的新化合物。這個(gè)結(jié)果清楚地表明在通路中引進(jìn)一個(gè)新的分支途徑后植物細(xì)胞生產(chǎn)發(fā)散化學(xué)物質(zhì)的潛力。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明植物細(xì)胞如何使用預(yù)先存在的途徑得到一個(gè)代謝產(chǎn)物的分支途徑。這兩種情況對(duì)于新的功能基因的分離非常重要。,4.3.1特定基

27、因的分離,生物合成酶的可用性對(duì)于修改一個(gè)給定的合成途徑很重要。生物合成酶需要有足夠的底物和反應(yīng)的特異性，或合理的蛋白質(zhì)工程，我們對(duì)這些知識(shí)的了解仍然是有限。因此，從特定的細(xì)胞中分離目的基因會(huì)更實(shí)用，雖然我們?nèi)绾潍@得可以分離所需酶，cDNA和基因的好材料值得懷疑。然而生物合成的基因通常集中在微生物中，但這種基因不催化次生代謝物的合成。以前選定的高代謝物生產(chǎn)細(xì)胞將是很好的分離這種基因和酶的候選人。例如，山茶花高黃連素生產(chǎn)細(xì)胞已經(jīng)被證明對(duì)分離這種生物合成基因非常有用，同樣油腺細(xì)胞也一樣。另外，如果我們能分離目標(biāo)次生代謝的轉(zhuǎn)錄因子，那么使用轉(zhuǎn)基因的細(xì)胞為起始原料成為可能。其中一個(gè)例子是擬南芥過(guò)量表達(dá)P

28、AP1基因編碼一個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子。這條線被用來(lái)確定一個(gè)新基因參與（使用代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄的集成）黃酮類(lèi)化合物的合成。蛋白質(zhì)組學(xué)方法對(duì)于通過(guò)雙向凝膠電泳和內(nèi)部肽序列檢查蛋白質(zhì)有用。,4.3.2代謝產(chǎn)物的質(zhì)量控制,簡(jiǎn)單的代謝產(chǎn)物的組成，是理想的工業(yè)生產(chǎn)。生產(chǎn)所需的化合物最簡(jiǎn)單的方法是在體外重建整個(gè)生物合成的過(guò)程，如上所述。到目前為止，有相當(dāng)數(shù)量與生物堿生物合成有關(guān)的基因已被克隆，并在大腸桿菌或昆蟲(chóng)細(xì)胞中表達(dá)。雖然微生物細(xì)胞儲(chǔ)存代謝產(chǎn)物的能力較低，但異種系統(tǒng)對(duì)生物轉(zhuǎn)化有用。 一個(gè)更有前途的做法是一個(gè)非必需途徑基因的表達(dá)下調(diào)。下調(diào)使用的反義材料和共抑制已被證明是有效的，因?yàn)楸槐『蛇秽铣擅竎DNA反義轉(zhuǎn)化

29、后的薄荷植物生產(chǎn)的非必需單萜油成分含量不到野生型的一半。,RNA干擾方法最近發(fā)展很迅速，使用雙鏈RNA誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄后或轉(zhuǎn)錄沉默是一種更有效的方法對(duì)于修改一個(gè)代謝途徑以致其關(guān)閉。雖然轉(zhuǎn)基因大腸桿菌細(xì)胞的反義黃連橋酶RNA在沒(méi)有中間體牛心果堿時(shí)失去生產(chǎn)生物堿的能力，黃連橋酶的雙鏈RNA表達(dá)載體的實(shí)驗(yàn)明顯誘導(dǎo)了牛心果堿的積累并伴隨著終產(chǎn)物的減少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地說(shuō)明了這種新的方法對(duì)于代謝工程很有用和即使代謝途徑已經(jīng)改變植物細(xì)胞也能夠存儲(chǔ)中間體。一個(gè)值得注意的問(wèn)題是靶序列的選擇，因?yàn)槎坦押塑账峄蛐蛄械耐耆ヅ淇梢杂行У貙?dǎo)致同源基因沉默。然而，不必要基因的沉默和消除某些特定蛋白質(zhì)也可以提供一種改變代謝途徑的方式。在含有COR（可待因酮還原酶 ） RNAi載體的轉(zhuǎn)基因罌粟中牛心果堿的積累可能會(huì)導(dǎo)致基因沉默的效應(yīng)，而在合成牛心果堿后中斷嗎啡生物堿合成酶復(fù)合體可能參與牛心果堿的積累。,4.4次生代謝物的積累和存儲(chǔ),由于在植物細(xì)胞中產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，具有很高的生物活動(dòng)，他們對(duì)于植物細(xì)胞本身而言有潛在的毒性。然而，代謝產(chǎn)物的細(xì)胞可以在沒(méi)有受到嚴(yán)重破壞的基本代謝過(guò)程中成長(zhǎng)。生物堿積累的監(jiān)管機(jī)制