植物ω-7脂肪酸的系统代谢工程

ω-7脂肪酸(C16:1Δ9, C18:1Δ11, C20:1Δ13), 特别是棕榈油酸(C16:1Δ9)具有重要的工业、营养和医药价值。这些珍稀脂肪酸大多在一些野生植物的种子中合成, 不能商业化生产。对普通油料作物的油脂代谢途径进行遗传修饰, 使其种子大量合成并积累ω-7脂肪酸, 已成为生物技术和可再生资源研究的一个热点领域。基因操作的主要靶标包括: 不同来源的Δ9脱氢酶的应用、提高底物(C16:0)的浓度、共表达质体型和内质网型Δ9脱氢酶以及代谢物流的优化等。该文在解析ω-7脂肪酸生物合成途径及其调控网络的基础上, 重点论述了ω-7脂肪酸代谢工程的技术策略、研究进展和存在的问题, 并进一步讨论了油脂物组学和转基因组学等组学技术在鉴定参与ω-7脂肪酸生物合成途径及其调控的特异基因和优化油脂代谢工程设计上的应用前景。     

转基因哺乳动物细胞自合成多不饱和脂肪酸

亚油酸、亚麻酸是哺乳动物体内的必需脂肪酸,但哺乳动物由于缺乏△12和ω-3脂肪酸脱氢酶而自身不能合成．△12和ω-3脂肪酸脱氢酶存在于真菌、植物和一些低等动物中．为了实现哺乳动物细胞亚油酸的自身合成,克隆了线虫编码△12脂肪酸脱氢酶的FAT-2基因eDNA序列,通过优化密码子,构建真核表达载体,稳定转染细胞,经抗生素筛选获得稳定整合FAT-2基因的CHO细胞．PCR和RNA印迹（Northern blot）验证了基因的整合和表达．气相色谱分析细胞的脂肪酸含量表明,FAT-2基因的表达显著提高了转基因细胞中亚油酸的含量,亚油酸含量为阴性对照细胞的2．4倍．研究结果表明,低等动物△12脂肪酸脱氢酶可以重建哺乳动物多不饱和脂肪酸合成途径,并利用细胞中的油酸合成亚油酸．上述研究为进一步利用转基因技术促进农业动物合成多不饱和脂肪酸从而提高食品营养价值奠定基础．     

植物种子a-亚麻酸形成及调控机理研究进展

a-亚麻酸是人体必需但不能自身合成的ω-3系列多不饱和脂肪酸,主要来源于植物油脂。由于大宗油料作物种子油脂中ALA含量普遍较低,所以探寻新的种质资源,了解a-亚麻酸形成及调控机理,对于油脂营养膳食健康及植物油脂改良具有重要意义。种子中富含a-亚麻酸的陆生植物资源有紫苏、亚麻、杜仲、油用牡丹、奇亚、藿香、香薷、猕猴桃、星油藤等。在植物中,ω-3FAD是催化LA转化生成ALA的关键酶,ω-3FAD由在质体中FAD3及在内质网中的FAD7及FAD8组成。目前通过基因组及转录组研究已极大的丰富了ω-3FAD基因家族的鉴定及研究。其中,FAD3基因是种子ALA合成的关键基因,其表达受多个转录因子的调控,bZIP、WRI1、LEC、ABI3、FUS3、ASIL1和PKL等转录因子通过相互作用调控FAD3基因表达,决定油料作物种子中a-亚麻酸的含量。本文综述了高含量a-亚麻酸油料植物资源分布,以及主要油料植物种子中油脂脂肪组成及ALA的含量,种子ALA生物合成基本途径及关键基因,植物ω-3脂肪酸脱饱和酶类型及功能以及ω-3FAD的关键调控因子,以期为高ALA植物新资源的利用,以及油料植物脂肪酸成分改良等相关研究提供理论依据。     

酿酒酵母脂酰-△9脱氢酶亚细胞定位表达及其对烟草脂肪酸合成的影响

以烟草Nicotiana tabacum L.为宿主植物,分别在细胞质内质网和质体内定位表达酿酒酵母Saccharom,ees cerevisiae脂酰-CoA-△9脱氢酶(Sc△9D),以期提高植物组织中棕榈油酸(16∶1△9)的积累量和分析该酶不同亚细胞定位表达对油脂代谢的影响.与野生型和空载体(对照)植物相比,转基因烟草植株叶片中单不饱和的棕榈油酸及顺式十八碳烯酸(18∶1△11)含量明显提高,而饱和的棕榈酸(16∶0)含量相应减少,多不饱和的亚油酸(18∶2△9,12)和亚麻酸(18∶3△9,12,15)含量亦降低.Sc△9D质体定位表达烟叶中棕榈油酸及顺式十八碳烯酸含量分别是Sc△9D细胞质内质网定位表达烟叶的2.7和1.9倍.这表明酵母脂酰-△9脱氢酶能在高等植物细胞中正确催化棕榈酸(16∶0)转化为棕榈油酸(16∶1△9),而且在质体内表达的效应显著高于在细胞质内质网上的效应.新建立了一种应用脂酰-CoA-△9脱氢酶代谢工程培育植物组织高水平合成积累棕榈油酸等ω-7脂肪酸的策略,有助于在生物量大的烟叶等营养器官中组装ω-7脂肪酸合成途径以生产优质生物燃油.     

少根根霉△6-脂肪酸脱氢酶基因在毕赤酵母中的表达

△6-脂肪酸脱氢酶是一种膜整合蛋白,也是多不饱和脂肪酸合成途径中的限速酶.在前期工作中,通过RT-PCR和RACE技术,从少根根霉NK300037中克隆到一个潜在编码△6-脂肪酸脱氢酶的序列,序列和功能分析结果表明该序列具有一个长度为1377bp、编码由458个氨基酸组成、大小为52kD的新的△6-脂肪酸脱氢酶基因.把少根根霉△6-脂肪酸脱氢酶基因(RAD6)亚克隆到表达载体pPIC3.5K,构建重组表达载体pPICRAD6,并转化到毕赤酵母菌株GS115进行表达.提取酵母细胞总脂肪酸和进行甲酯化,经气相色谱和气相色谱-质谱连用分析表明,目的基因的编码产物能将C16:1、C17:1、C18:1、亚油酸和α-亚麻酸在△6和7位间特异性脱氢而引入一个新的双键,生成更高不饱和的脂肪酸,该催化反应没有链长特异性,只有键位特异性.此外,按Kozak序列特点,改变目的基因转译起始密码子周边序列结构,并把改变后序列导入毕赤酵母GS115中进行功能表达分析,结果表明在毕赤酵母中这种改变同样能提高目的基因的表达水平.综合所有分析结果表明,巴斯德毕赤酵母更适合用来综合分析△6-脂肪酸脱氢酶基因的功能.     

翅果油树种仁脂肪酸合成关键基因筛选

【目的】通过翅果油树不同时期种仁的转录组学分析,挖掘与脂肪酸合成相关的关键基因。【方法】观察记录翅果油树果实发育情况并以成年翅果油树果实开始膨大时期（C6）、果实迅速膨大时期（C7）和果实成熟时期（C8）的新鲜种仁为试验材料,以水解-提取法测定3个时期种仁的脂肪酸组分与含量,利用转录组测序技术分析C6、C7时期样品表达差异,并寻找关键差异表达基因。【结果】3个时期的脂肪酸平均含量随时间推移呈逐渐上升趋势;C6、C7时期的种仁数据中共获得6 375个上调表达基因,8 124个下调表达基因;8 137个差异表达基因在GO数据库中获得注释;4 275个差异表达基因在KEGG数据库中获得注释,主要涉及代谢途径,次生代谢物的生物合成,激素传导,氨基酸合成途径等通路,其中,脂肪酸生物合成、不饱和脂肪酸生物合成等与脂肪酸相关的通路均被富集,并重点挖掘出8个与脂肪酸合成相关的候选基因,发现与果实膨大时期（C6）相比,EmBCCP1、EmSAD1、EmFAD2-1、EmFAD3-1、EmPDCT1基因的上调表达和EmFAbG1、EmPDAT1、EmKASI1基因的下调表达。【结论】EmBCCP1、EmSAD1、EmFAD2-1、EmFAD3-1、EmPDCT1、EmKASI1、EmFAbG1、EmPDAT1基因可能促进了翅果油树种仁油酸、亚油酸的合成积累,可作为翅果油树种仁脂肪酸合成的关键候选基因     

花生△12脂肪酸脱氢酶基因高效表达载体构建与原核表达

花生是世界范围内广泛种植的重要油料作物之一,其种子中富含油酸和亚油酸。△^12脂肪酸脱氢酶（FAD2）是亚油酸合成的关键酶,催化油酸（18：1）在△^12位上脱氢生成亚油酸（18：2）,但由于△^12脂肪酸脱氢酶本身的特性,目前还没有有效的方法将其纯化并在蛋白水平作进一步的研究,尚需对其结构和功能之间以及表达调控进行更深入全面的研究。本文利用从花生中克隆的△^12脂肪酸脱氢酶基因（GenBank接受号为AY1006）构建高效表达载体,把花生△^12脂肪酸脱氢酶基因全长序列插入到大肠杆菌高效表达载体pRSETB中,构建了pRSET／HO-A融合表达载体,并转化到大肠杆菌表达菌BL21（DE3）pLysS中,在IPTG诱导下,pRSET／HO-A融合表达载体在BL21（DE3）pLysS菌株中高效表达了△^12脂肪酸脱氢酶。利用Clon-Tech蛋白纯化Kit进一步分离了目的蛋白,同时加入外源性底物油酸在20℃温育6h后,进行脂肪酸甲酯化处理,通过气相色谱（GC）和气相色谱,质谱（GC-MS）分析表明,所编码的酶具有△^12脂肪酸脱氢酶的活性,能将外源性的底物油酸转化为亚油酸,转化率为11．8％。花生△^12脂肪酸脱氢酶基因的原核表达目前国内外还未见报导,本实验为其进一步的大量纯化和结构功能分析奠定了基础。     

少根根霉Δ^6-脂肪酸脱氢酶基因在毕赤酵母中的表达

Δ^6-脂肪酸脱氢酶是一种膜整合蛋白,也是多不饱和脂肪酸合成途径中的限速酶。在前期工作中,通过RT-PCR和RACE技术,从少根根霉NK300037中克隆到一个潜在编码Δ^6-脂肪酸脱氢酶的序列,序列和功能分析结果表明该序列具有一个长度为1377bp、编码由458个氨基酸组成、大小为52kD的新的Δ^6-肪酸脱氢酶基因。把少根根霉Δ^6-脂肪酸脱氢酶基因（RAD6）亚克隆到表达载体pPIC3．5K,构建重组表达载体pPICRAD6,并转化到毕赤酵母菌株GS115进行表达。提取酵母细胞总脂肪酸和进行甲酯化,经气相色谱和气相色谱-质谱连用分析表明,目的基因的编码产物能将C16：1、C17：1、C18：1、亚油酸和α-亚麻酸在△6和7位间特异性脱氢而引入一个新的双键,生成更高不饱和的脂肪酸,该催化反应没有链长特异性,只有键位特异性。此外,按Kozak序列特点,改变目的基因转译起始密码子周边序列结构,并把改变后序列导入毕赤酵母GS115中进行功能表达分析,结果表明在毕赤酵母中这种改变同样能提高目的基因的表达水平。综合所有分析结果表明,巴斯德毕赤酵母更适合用来综合分析Δ^6-脂肪酸脱氢酶基因的功能。     

小眼虫藻△8-脂肪酸脱氢酶基因的克隆及其在酿酒酵母中的表达

△8途径是合成多不饱和脂肪酸的替代途径,△8-脂肪酸脱氢酶是该途径的关键酶之一.根据已报道的△8-脂肪酸脱氢酶基因设计引物,分别从小眼虫藻基因组DNA和cDNA中扩增得到该基因片段,序列分析表明:结构基因长1 266 bp,编码421个氨基酸;该基因没有内含子,比已经报道的△8-脂肪酸脱氢酶基因长6bp,并且N末端序列也有所不同.利用酿酒酵母的载体pYES2.0构建△8-脂肪酸脱氢酶表达载体pYEFD,并转化到营养缺陷型酿酒酵母菌株INVSc1中,在选择培养基中筛选得到酿酒酵母转化菌株YD8.YD8在合适的培养条件下,添加外源底物二十碳二烯酸和二十碳三烯酸并诱导基因表达.脂肪酸甲酯气相色谱分析表明小眼虫藻△8-脂肪酸脱氢酶基因在酿酒酵母中获得了高效表达,将二十碳二烯酸和二十碳三烯酸分别转化成二高-γ-亚麻酸和二十碳四烯酸,其底物转化率分别达到了31.2%和46.3%.     

高山被孢霉Δ6-脂肪酸脱氢酶基因在毕赤酵母中的胞内表达

γ-亚麻酸(GLA)作为人体必需的不饱和脂肪酸,具有重要的营养和药用价值。△^6-脂肪酸脱氢酶是γ-亚麻酸合成途径中的关键酶。为了在毕赤酵母中建立一种新的合成γ-亚麻酸的表达体系,将高山被孢霉△^6-脂肪酸脱氢酶基因与胞内表达载体pPIC3．5K连接,SacⅠ线性化后电击法转化毕赤酵母SMD1168,获得的转化子经PCR鉴定目的基因已整合到毕赤酵母的基因组中。用甲醇诱导表达,通过脂肪酸气相色谱和气相色谱-质谱(GC-MS)联用分析表明高山被孢霉△^6-脂肪酸脱氢酶基因在毕赤酵母中获得表达,γ-亚麻酸含量占总脂肪酸的16．26％。     

Metabolic engineering of seeds can achieve levels of omega-7 fatty acids comparable with the highest levels found in natural plant sources

Plant oils containing ω-7 fatty acids (FAs; palmitoleic 16:1Δ(9) and cis-vaccenic 18:1Δ(11)) have potential as sustainable feedstocks for producing industrially important octene via metathesis chemistry. Engineering plants to produce seeds that accumulate high levels of any unusual FA has been an elusive goal. We achieved high levels of ω-7 FA accumulation by systematic metabolic engineering of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). A plastidial 16:0-ACP desaturase has been engineered to convert 16:0 to 16:1Δ(9) with specificity >100-fold than that of naturally occurring paralogs, such as that from cat's claw vine (Doxantha unguis-cati). Expressing this engineered enzyme (Com25) in seeds increased ω-7 FA accumulation from <2% to 14%. Reducing competition for 16:0-ACP by down-regulating the β-ketoacyl-ACP synthase II 16:0 elongase further increased accumulation of ω-7 FA to 56%. The level of 16:0 exiting the plastid without desaturation also increased to 21%. Coexpression of a pair of fungal 16:0 desaturases in the cytosol reduced the 16:0 level to 11% and increased ω-7 FA to as much as 71%, equivalent to levels found in Doxantha seeds.     

Influence of abiotic factors on the content of fatty acids of Ulva Intestinalis

The composition of fatty acids (FAs) of a green alga (Ulva intestinalis) inhabiting small rivers of the Elton Lake basin has been investigated. It has been established that long-chain FAs with 16 and 18 carbon atoms are essential. We have investigated the composition variability of FAs of lipids of U. intestinalis depending on environmental factors: the level of mineralization, temperature, oxygen saturation, and acidity. It has been revealed that FA nonsaturation increases with an increase in mineralization. We assume that ω-6 and ω-3 desaturases participate in the adaptation of U. intestinalis to this factor.     

大肠杆菌木糖生物合成琥珀酸的代谢工程研究

目的:对大肠杆菌进行代谢网络改造,考察木糖好氧发酵生产琥珀酸的可行性。方法:以有氧条件下大肠杆菌木糖生物合成琥珀酸的代谢途径分析为基础,以大肠杆菌BL21为出发菌株,通过P1噬菌体一步敲除法敲除琥珀酸脱氢酶基因(sdhA)、磷酸转乙酰基酶基因(pta)、丙酮酸脱氢酶基因(poxB)及异柠檬酸裂解酶阻遏物基因(iclR),构建木糖好氧发酵生产琥珀酸的大肠杆菌工程菌JLS400(△poxB△pta△iclR△sdhA)。将携带磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因的质粒pJW225转化到JLS400中。结果:摇瓶发酵结果表明,构建的工程菌能以木糖为碳源,在好氧发酵条件下琥珀酸产率较高,副产物仅有少量乙酸和丙酮酸。结论:基因工程大肠杆菌JLS400pJW225的构建,为有氧条件下以木糖为原料生产琥珀酸的进一步研究奠定了基础。     

The pathway of triacylglycerol synthesis through phosphatidylcholine in Arabidopsis produces a bottleneck for the accumulation of unusual fatty acids in transgenic seeds

Engineering of oilseed plants to accumulate unusual fatty acids (FAs) in seed triacylglycerol (TAG) requires not only the biosynthetic enzymes for unusual FAs but also efficient utilization of the unusual FAs by the host-plant TAG biosynthetic pathways. Competing pathways of diacylglycerol (DAG) and subsequent TAG synthesis ultimately affect TAG FA composition. The membrane lipid phosphatidylcholine (PC) is the substrate for many FA-modifying enzymes (desaturases, hydroxylases, etc.) and DAG can be derived from PC for TAG synthesis. The relative proportion of PC-derived DAG versus de novo synthesized DAG utilized for TAG synthesis, and the ability of each pathway to utilize unusual FA substrates, are unknown for most oilseed plants, including Arabidopsis thaliana. Through metabolic labeling experiments we demonstrate that the relative flux of de novo DAG into the PC-derived DAG pathway versus direct conversion to TAG is ～14/1 in wild-type Arabidopsis. Expression of the Ricinus communis FA hydroxylase reduced the flux of de novo DAG into PC by ～70%. Synthesis of TAG directly from de novo DAG did not increase, resulting in lower total synthesis of labeled lipids. Hydroxy-FA containing de novo DAG was rapidly synthesized, but it was not efficiently accumulated or converted to PC and TAG, and appeared to be in a futile cycle of synthesis and degradation. However, FA hydroxylation on PC and conversion to DAG allowed some hydroxy-FA to accumulate in sn-2 TAG. Therefore, the flux of DAG through PC represents a major bottleneck for the accumulation of unusual FAs in TAG of transgenic Arabidopsis seeds.     

柠檬酸钠对L-组氨酸发酵代谢流分布的影响

目的：建立谷氨酸棒杆菌TL1105生物合成L-组氨酸的代谢网络模型,并进行代谢网络计量分析。方法：通过所构建的L-组氨酸代谢网络模型,利用MATLAB软件计算出添加柠檬酸钠和不添加柠檬酸钠发酵中后期代谢网络的代谢流分布。结果：在L-组氨酸分批发酵过程中,在发酵初期未添加柠檬酸钠的条件下流向戊糖磷酸途径（HMP）的代谢流为9.59,合成组氨酸的代谢流为8.91;在发酵初期添加2g/L柠檬酸钠的条件下流向HMP的代谢流为12.74,合成组氨酸的代谢流为9.61。结论：在发酵初期添加柠檬酸钠能够改变L-组氨酸生物合成途径的关键节点6-磷酸葡萄糖、丙酮酸及乙酰辅酶A的代谢流分布,保持糖酵解途径、三羧酸循环与HMP之间代谢流量平衡,有利于提高L-组氨酸生物合成途径的代谢流量,最终使流向组氨酸的代谢流增加了7.86%。     

条石鲷仔、稚、幼鱼脂肪酸组成变化研究

通过采用GC/MS法研究了条石鲷(Oplegnathus fasciatus)仔鱼、稚鱼及幼鱼阶段的脂肪酸组成和变化特点。共检测到28种脂肪酸,其中饱和脂肪酸(SFA)13种,单不饱和脂肪酸(MUFA)7种,多不饱和脂肪酸(PUFA)8种。结果表明:条石鲷鱼苗内源性营养阶段以饱和脂肪酸C16∶0、C20∶0及单不饱和脂肪酸C16∶1、C18∶1作为能量代谢的主要来源;必需脂肪酸C20∶4(n-6)(AA)、C22∶5(n-3)(DPA)和C22∶6(n-3)(DHA)在稚鱼期含量较低,∑EPA+DHA仅为6.89%,认为是发生稚鱼"胀鳔病"的主要原因;仔鱼开口前体内的DHA和EPA是由母体卵黄提供的。     

Fatty acid omega-oxidation as a rescue pathway for fatty acid oxidation disorders in humans

Fatty acids (FAs) can be degraded via different mechanisms including α-, β- and ω-oxidation. In humans, a range of different genetic diseases has been identified in which either mitochondrial FA β-oxidation, peroxisomal FA β-oxidation or FA α-oxidation is impaired. Treatment options for most of these disorders are limited. This has prompted us to study FA ω-oxidation as a rescue pathway for these disorders, based on the notion that if the ω-oxidation of specific FAs could be upregulated one could reduce the accumulation of these FAs and the subsequent detrimental effects in the different groups of disorders. In this minireview, we describe our current state of knowledge in this area with special emphasis on Refsum disease and X-linked adrenoleukodystrophy.     

Manipulating fatty-acid profile at unit chain-length resolution in the model industrial oleaginous microalgae Nannochloropsis

The chain length (CL) of fatty acids (FAs) is pivotal to oil property, yet to what extent it can be customized in industrial oleaginous microalgae is unknown. In Nannochloropsis oceanica, to modulate long-chain FAs (LCFAs), we first discovered a fungi/bacteria-originated polyketide synthase (PKS) system which involves a cytoplasmic acyl-ACP thioesterase (NoTE1). NoTE1 hydrolyzes C16:0-, C16:1- and C18:1-ACP in vitro and thus intercepts the specific acyl-ACPs elongated by PKS for polyunsaturated FA biosynthesis, resulting in elevation of C16/C18 monounsaturated FAs when overproduced and increase of C20 when knocked out. For medium-chain FAs (MCFAs; C8-C14), C8:0 and C10:0 FAs are boosted by introducing a Cuphea palustris acyl-ACP TE (CpTE), whereas C12:0 elevated by rationally engineering CpTE enzyme's substrate-binding pocket to shift its CL preference towards C12:0. A mechanistic model exploiting both native and engineered PKS and type II FAS pathways was thus proposed for manipulation of carbon distribution among FAs of various CL. The ability to tailor FA profile at the unit CL resolution from C8 to C20 in Nannochloropsis spp. lays the foundation for scalable production of designer lipids via industrial oleaginous microalgae.