【文献分享】Engineering yeast for the de novo synthesis of jasmonates

茉莉酸（Jasmonates）是植物中广泛存在的激素，在逆境胁迫中发挥着重要作用。同时，具有广泛的应用前景，可以替代增强植物抗性，替代化学杀虫剂；名贵药物生产诱导剂，如长春碱，紫杉醇等；在香水产业中应用广泛；结构类似于前列腺素，具有潜在的抗癌活性。茉莉酸的主要来源为植物提取和化学全合成，但茉莉酸在植物中含量极低（10 ng/g~100 ng/g， FW）；且茉莉酸具有多种异构体，化学全合成具有一定的难度。合成生物学的发展使天然产物的异源、高效、绿色和规模化生产成为可能。11月14日《Nature synthesis》报道了由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员罗小舟与美国加州大学伯克利分校教授Jay. D. Keasling团队合作完成的酵母中从头合成植物激素茉莉酸的相关研究。  

图1.拟南芥中茉莉酸生物合成途径

在植物中茉莉素合成途径较为复杂，酶促反应多样，并且涉及不同细胞器之间的转运（图1.）。首先，磷脂酶先将α-亚麻酸（α-LeA）从叶绿体膜上释放；其次，α-LeA在叶绿体内，由多酶复合体催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；然后，OPDA在过氧化物酶体中，经过3轮β-氧化生成茉莉酸（JA）；最后，JA在细胞质中被转化为下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸异亮氨酸（JA-Ile）等。

根据植物中茉莉酸合成途径，在酵母中将茉莉酸合成途径分为4个模块（图2.）。模块I-内质网中合成α-LeA：植物中α-LeA在叶绿体中合成，而酵母缺少叶绿体结构。虽然酵母不能从头合成α-LeA，但可以在内质网中合成α-LeA前体Oleic acid和Linoleic acid；模块II—细胞质中合成OPDA：OPDA在植物叶绿体中合成，在酵母中细胞质和过氧化物酶体是潜在的选项。若选择过氧化物酶体则需要将α-LeA转运到过氧化物酶体中，且需要考虑α-LeA在过氧化物酶体中被降解的可能性；若选择细胞质则需要将OPDA转运进入过氧化物酶体。模块III-过氧化物体中JA合成:真核生物中β-氧化/OPDA还原功能保守，可以在酵母中模拟植物过氧化物体中JA合成。模块IV—JA转化为各种衍生物。

图2. 酵母中茉莉酸生物合成通路。

首先，该团队尝试在内质网中合成α-LeA，通过引入乳酸克鲁维酵母来源FAD，实现了α-LeA从头合成，但其产量仅为0.7 mg/L，通过优化发酵条件产量仍旧很低。共聚焦实验证明所有基因均定位于内质网，同时基于改造自由脂肪酸代谢通路和关键酶拷贝数增加，将α-LeA的产量提升至51.2 mg/L（图3.）。

图3. 酵母细胞质中合成α-LeA

其次，在获得高含量α-LeA菌株后，将植物来源的OPDA合成途径定位到酵母细胞质中。发现无OPDA以及前体物质13-HPOT产生，推测为LOX及相关酶无活性。对不同来源的LOX进行活性筛选和组合表达后，将中间体13-HPOT的产量提升到10.8 mg/L。然后，引入拟南芥中AOS和AOC实现了4.9 mg/LOPDA的生产（图4.），同时共聚焦实验证明相关通路基因均成功定位在酵母细胞质中。

图4.酵母细胞质中合成OPDA

植物和酵母在β-氧化过程中具有相似性，该研究直接模仿植物过氧化物体中JA的合成过程。最后，将保留自身过氧化物体定位信号肽的相关酶（AtOPR、AtACS、AtACX、AtMFP和AtKAT）引入OPDA合成酵母菌株中，在过氧化物酶体中实现JA的合成产量约为9.6 mg/L。进一步通过饲喂游离底物α-LeA，使JA的产量达到19.0 mg/L（图5.）。

图5.酵母过氧化物酶体中合成JA

图6.酵母细胞质中合成MeJA和JA-Ile

在产JA的酵母菌株中引入JMT和JAR可合成分别合成3.1 mg/LMeJA和7.0 mg/L JA-lle。此外，相较于植物种的JA异构体，同时在酵母中发现了植物种不存在的两种天然JA异构体。

该研究建立了植物激素茉莉酸的酵母细胞生产工厂，为茉莉酸的高效、绿色和规模化生产提供提了重要参考。

参考文献

Tang, H., Lin, S., Deng, J. et al. Engineering yeast for the de novo synthesis of jasmonates. Nat. Synth (2023). https://doi.org/10.1038/s44160-023-00429-w