PBJ|油料所破解二十碳五烯酸（EPA）生物合成中的代谢瓶颈问题并利用合成生物学技术体系在重组油脂酵母中大幅度提高EPA相对含量

2022年11月2日 0条评论 1,626次阅读 1人点赞
欧米伽3超长链多不饱和脂肪酸中的DHA和EPA是人体不可缺少的重要营养素，其中DHA对于婴幼儿脑神经生长发育和视觉发育至关重要，日常适量补充DHA，有助于儿童脑中DHA水平的提高，从而有利于脑神经和视觉的健康发育。而EPA俗称人类“血管清道夫”，高纯度的EPA具有帮助降低胆固醇和甘油三酯的含量，促进体内饱和脂肪酸代谢的作用，从而降低血液粘稠度，增进血液循环，提供组织供氧而消除疲劳；防止脂肪在血管壁的沉积，预防动脉粥样硬化的形成和发展，预防脑血栓、高血压等心血管疾病。然而，目前EPA的主要来源是野生海洋鱼类，这种传统来源由于海洋环境潜在的污染风险和鱼类资源的过度捕捞具有不可持续性。海洋藻类等微生物是欧米伽3超长链多不饱和脂肪酸的初级生产者，具有高效的EPA合成机制。
EPA生物合成途径主要包括耗氧型去饱和酶/延长酶途径和聚酮合成酶（PKS）途径。常规的脂肪酸去饱和酶和延长酶具有不同的底物偏好性，通常去饱和酶的底物结合在磷脂酰胆碱（PC）上，而延长酶利用的脂肪酸底物结合在辅酶A上。因此，去饱和酶的产物在进一步延长反应之前需要从PC转移到辅酶A上，下一轮的去饱和反应则需要将延长酶产物从辅酶A转移到PC上。中间产物在PC和辅酶A之间的反复转运是EPA和DHA生物合成中代谢瓶颈，极大限制了异源生物合成中EPA和DHA的含量。溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶（LPCAT）被认为是催化中间代谢产物在PC库和酰基辅酶A库之间转运的关键酶，目前只有在拟南芥等植物中报道LPCAT的相关研究，海洋藻类中LPCAT参与调控的欧米伽3超长链多不饱和脂肪酸生物合成中的代谢瓶颈问题多年来一直未有报道。
单细胞海洋硅藻三角褐指藻能够积累高达30%的EPA，由于其出色的注释基因组序列和成熟的转化体系，它已被用作研究长链多不饱和脂肪酸生物合成的模式生物。在三角褐指藻中，大部分的EPA积累在极性脂质中，特别是在半乳糖脂中，如单半乳糖二酰基甘油MGDG和双半乳糖二酰基甘油DGDG。长链多不饱和脂肪酸的生物合成被认为是从油酸开始的，EPA可以通过发生在内质网的一系列去饱和和延伸步骤合成，然后新合成的EPA通过一种未知的途径输入质体。EPA合成的调控机制是了解硅藻中长链多不饱和脂肪酸生物合成的基础。

2022年10月27日，中国农业科学院油料作物研究所油料品质化学与加工利用创新团队龚阳敏博士联合波兰和法国科学家的研究成果“Acyl-CoA:lysophosphatidylcholine acyltransferase from the unicellular diatom Phaeodactylum tricornutum (PtLPCAT1) is involved in triacylglycerol and galactoglycerolipid synthesis and enhances eicosapentaenoic acid accumulation in recombinant oleaginous yeast”在线发表在植物学知名期刊Plant Biotechnology Journal （中科院1区，IF=13.263），报道海洋硅藻（三角褐指藻）中溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶LPCAT在甘油三酯和糖脂合成中的功能，并通过过表达该基因大幅度提高重组产油酵母—解脂耶氏酵母中EPA的相对含量。为在产油微生物和油料作物中利用合成生物学生产超长链多不饱和脂肪酸提供了重要的基因资源。
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三角褐指藻LPCAT定位于叶绿体内质网（cER）膜上，通过CRISPR/Cas9技术敲除lpcat编码基因导致静止生长期和缺磷胁迫条件下甘油三酯含量显著降低，并且总脂肪酸中EPA含量减少。lpcat突变株不同脂类中MGDG和DGDG的积累量也显著减少，MGDG不同分子种类中20:5/16:2和20:5/16:3相对含量显著降低，而DGDG中显著降低的分子种类主要是20:5/16:0和20:5/16:1。为了评价三角褐指藻LPCAT在提高EPA产量上的生物技术潜力，进一步在产油酵母—解脂耶氏酵母PO1f中重构了Δ8脂肪酸合成途径，其中EPA在总脂肪酸中的相对含量占7%。在该重组酵母中过表达一个拷贝的LPCAT基因将EPA相对含量提高到12%；有意思的是，过表达两个拷贝LPCAT基因的重组酵母中EPA相对含量达到18%，表明LPCAT基因拷贝数与EPA含量正相关。目前该基因的生物技术应用已申请国家发明专利。

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图1 三角褐指藻LPCAT在油脂和EPA合成中的功能及其提高重组酵母中EPA相对含量的生物技术潜力

中国农业科学院油料作物研究所2019级已毕业硕士研究生游灵杰为论文第一作者，油料品质化学与加工利用团队龚阳敏为通讯作者。波兰格但斯克大学Antoni Banas教授、法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Alberto Amato和Eric Maréchal教授等人参与了此项工作。该研究得到国家自然科学基金组织间国际合作项目、中国农科院创新工程等项目的资助。
文章来源：植物生物技术Pbj
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