全 文 ：第26卷 第9期
2014年9月
Vol. 26, No. 9
Sep., 2014
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2014)09-0979-12
DOI: 10.13376/j.cbls/2014141
收稿日期：2013-12-22； 修回日期：2014-02-21
基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”项目)
(2013AA065805)；国家自然科学基金项目(31170337，
41176105)；广东省低碳专项(2011-051)
*通信作者：E-mail: tzhangcw@jnu.edu.cn
微藻三酰甘油合成途径及其最新研究进展
何思思，王元丽，高保燕，万凌琳，李爱芬，张成武*
(暨南大学水生生物研究中心、生态学系，广州 510632)
摘　要：三酰甘油 (triacylglycerols, TAGs)是动物、植物、微生物和微藻细胞主要的储藏性脂类，它可应用
于食品、轻工业和生物燃料等方面，是一种新型可再生能源——生物柴油生产的重要原料。与高等油料作
物相比，微藻具有光合作用效率高、生长速度快、油脂产量高、不占用农业耕地和适应多种生长环境等优势，
是一种潜在的新型生物柴油生产原料。然而，目前人们对有机体，尤其是微藻细胞内 TAG合成与积累的分
子机制及细胞的代谢调控机制还知之甚少。对 TAG合成的一系列重要过程，包括脂肪酸的合成，TAG生
物合成的主要途径和旁路途径，以及与 TAG合成相关的关键酶和重要基因等进行了综述，特别对微藻细胞
中与 TAG合成相关的关键基因的最新研究进展进行了总结，旨在更好地了解油脂代谢的调控途径，为最大
限度地供应生物柴油的生产原料提供理论基础。
关键词：生物柴油；三酰甘油；乙酰 CoA羧化酶；二酰甘油酰基转移酶；磷脂 :二酰甘油酰基转移酶
中图分类号：Q55；TK6 文献标志码：A
Biosynthetic pathway of triacylglycerol in microalgae
and its latest research progress
HE Si-Si, WANG Yuan-Li, GAO Bao-Yan, WAN Ling-Lin, LI Ai-Fen, ZHANG Cheng-Wu*
(Research Center for Hydrobiology, Department of Ecology, Jinan University, Guangzhou 510632, China)
Abstract: Triacylglycerols (TAGs) are the main storage lipids in the cells of animals, plants, microorganisms and
microalgae. It could be used as feedstocks for foods, light industrial products and biofuels. Comparing with higher
oil crops, microalgae have the advantages of high photosynthetic efficiency, rapid growth rate, high oil yield, broad
growth environments and non-arable land for cultivation. Therefore, they are potential resources for biodiesel
production. However, the metabolic and regulatory mechanisms of biosynthesis and accumulation process of TAG
in organisms are not clear exactly, especially in microalgal cells. This paper summarized the important pathways of
the TAG synthesis, including the synthetic route of fatty acid, the major and alternative pathways of TAG
biosynthesis, as well as the key enzymes and genes involved in the pathways, especially in the microalgal cells.
Thus, it is aimed at better understanding the regulatory mechanism of the TAG metabolism, and providing a
theoretical basis for maximal supplies of raw materials for biodiesel production.
Key words: biodiesel; triacylglycerol; acetyl-CoA carboxylase; diacylglycerol acyltransferase; phospholipid:
diacylglycerol acyltransferase
据美国能源部下属能源情报署 EIA报道 [1]，由
于全球人口的增长以及人们生活水平的提高，特别
是中国、印度等国家工业的快速发展，近 10多年来，
全球对能源的需求越来越大，预计还有不断增加的
趋势 [2]。随着自然界中储备的自然资源和化石能源
的日益消耗以及环境问题的加剧，新型、环保的可
再生能源越来越受到人们的关注，尤其是利用微藻
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生产生物柴油在近年来已成为国内外研究者关注的
焦点。
微藻是一类能进行光合作用的低等生物，其
种类繁多，细胞结构简单，生长速度快，生境广，
包括海洋、淡水、土壤、沙漠，甚至冰雪等极端
环境。微藻光合作用的机制与高等植物相似，但
其生长周期短，光能转化效率高，易于大规模培养，
不占用耕地。许多微藻能够积累大量的储藏性三
酰甘油，其油脂单位面积产量远远高于陆生油料
作物；另外，微藻在积累油脂的同时还能合成多
种高附加值的生物活性物质，如长链多不饱和脂肪
酸 (polyunsaturated fatty acids, PUFA)：二十碳五烯
酸 (C20:5ω3, EPA)、二十二碳六烯酸 (C22:6ω3,
DHA)，以及类胡萝卜素和活性多糖等。因此，微
藻在食品、医药、环保、农业及能源领域具有重要
的开发应用价值，特别是产油微藻已成为目前最具
发展潜力的生物燃料生产原料。
生物柴油作为一种可再生替代燃料，是利用
棕榈油、大豆油等植物油或者动物脂肪等油脂类物
质与醇进行酯交换反应而得到的有机脂肪酸酯类物
质 [3]。TAG是中性脂的主要成分，也是真核生物细
胞中重要的储能物质；同时，它还是将碳转变为食
品和燃料的主要来源。但是，TAG合成与积累的分
子机制及细胞调控机制还不十分明确 [4]。TAG合成
途径包括脂肪酸的合成和 TAG的生成，它是以脂
肪酸和 3-磷酸甘油 (glycerol-3-phosphate, G-3-P)为
中间底物，经过多步转酰化反应合成来的。其中，
乙酰 CoA羧化酶 (acetyl-CoA carboxylase, ACCase)
是脂肪酸合成途径的关键酶。ACCase催化乙酰
CoA合成丙二酰 CoA，反应需要 ATP和 CO2 (来自
HCO3−)的参与，这是脂肪酸合成的第一个关键反
应 [5]。Sorger和 Daum[6]研究表明，二酰甘油 (diacyl-
glycerol, DAG)的合成也是 TAG合成过程中的限速
步骤，对这一过程中起关键作用的基因进行分析可
以进一步了解其对 TAG合成所起的决定性作用。
真核生物 TAG的合成主要有两种途径 [7]：第
一种是依赖于酰基 CoA的从头合成途径，通过相
关酶催化 G-3-P及其后面的酰基化反应最终合成
TAG。这个过程的关键酶是二酰甘油酰基转移酶
(diacylglycerol acyltransferase, DGAT)，它以酰基 CoA
作为酰基的供体，DAG作为酰基的受体，催化
DAG合成 TAG。该途径在哺乳动物 [8-9]、植物 [10-12]
和酵母 [13-14]中均有研究报道。第二种是不依赖于酰
基 CoA的合成途径，该途径主要是由磷脂：二酰
甘油酰基转移酶 (phospholipid: diacylglycerol acyltran-
sferase, PDAT) 催化。它以磷脂等底物为酰基的
供体，从上面转移一个脂酰基给 DAG来合成 TAG。
酵母 [15-16]、维管植物 [15,17]中有关于 PDAT催化 TAG
合成途径的报道。除此之外，TAG还可由二酰甘油
转酰酶 (diacylglycerol transacylase, DGTA)催化，以
两个 DAG分子分别作为酰基的供体和受体，这也
是一种不依赖于酰基 CoA的合成途径，在大鼠
(Rattus norvegicus)肠脏 [18]以及红花 (safflower)种子 [19]
微粒体中均有发现。
与高等植物相比，藻类 TAG合成代谢的研究
相对较少，但目前已有研究证明，藻类 TAG合成
途径与高等植物基本相似。微藻细胞中合成 TAG
的许多基因与高等植物同源，从微藻细胞中获得的
一些相关基因和酶的理化性质也与高等植物相似。
Moellering等 [20]和 Riekhof等 [21]研究发现，莱茵衣
藻 (Chlamydomonas reinhardtii)细胞中脂肪酸合成
途径相关的蛋白质序列与高等植物具有同源性。硅
藻假小海链藻 (Thalassiosira pseudonana)、三角褐
指藻 (Phaeodactylum tricornutum)以及红藻门的一
些藻类细胞中也有与高等植物脂肪酸合成途径相似
的同源酶 [22]。然而，藻类细胞中 TAG合成也有其
独特之处，如单细胞藻类能完成从 CO2固定到
TAG合成的全过程，而高等植物 TAG的合成只发
生在种子、果实、叶片等特定的组织或器官中 [4]。
实际上，在所有含质体的生物体内，包括非光合生
物顶复虫类疟原虫 (Plasmodium falciparum)和弓形
虫 (Toxoplasma gondii)，都能在质体中合成脂肪酸，
然后运输到内质网中合成 TAG。
本文以微藻为主要阐述对象，全面系统地对
TAG合成的一系列重要途径 (包括脂肪酸的合成以
及 TAG从头合成及其衍生出来的旁路途径 )中涉及
到的关键酶 (ACCase、GPAT、DGAT、PDAT、DGTA
等 )以及相关基因进行了综述，并针对提高微藻油
脂积累的基因工程策略进行阐述，为更好地了解
TAG合成过程和代谢调控机制，提高生物体内
TAG的积累效率和相对含量以及生物柴油的开发和
应用提供重要的理论依据。
1　脂肪酸的合成
在真核生物中，脂类物质是细胞内 3大主要代
谢产物之一，占细胞干重的 10%~90%，具有重要
的生物学作用，如构成细胞膜的重要组成成分，作
为光合作用中心和光电子运输等功能复合体，以及
何思思，等：微藻三酰甘油合成途径及其最新研究进展第9期 981
储能物质等 [7]。脂类按极性可分为极性脂 (糖脂、
磷脂等 )和中性脂 (TAG、DAG等 )。中性脂是油
脂的主要组成部分，约占细胞干重的 20%~50%，
主要以 TAG形式存在。生物体内用于合成油脂的
脂肪酸主要有 5种：软脂酸 (C16:0)、硬脂酸 (C18:0)、
油酸 (C18:1Δ9)、亚油酸 (C18:2Δ9,12)和亚麻酸 (C18:3Δ9,12,15)。
在植物和微藻细胞中，脂肪酸的合成反应在质体中
进行 [4,23]，随后游离的脂肪酸被运输到细胞质中，
进入内质网等部位进行 TAG的合成。参与脂肪酸
合成的酶主要有 ACCase和脂肪酸合成酶 (FAS)，
乙酰 CoA和丙二酰 CoA是脂肪酸合成和碳链延长
的直接前体物质。在质体中，脂肪酸在硬脂酰 -酰
基载体蛋白 (acyl carrier protein, ACP)去饱和酶的催
化下发生第一步去饱和反应，最后在酰基 -ACP硫
酯酶 (Fat A和 Fat B)的作用下终止碳链的延长 [24]，
如图 1所示。乙酰 CoA在 ACCase催化作用下生成
丙二酰 CoA，这是脂肪酸合成的一个关键步骤，
ACCase在这一过程中发挥重要作用。随后，脂肪
酸合成酶 (FAS)以丙二酰 CoA为底物进行后续的聚
合反应，每次循环增加 2个碳链，不断延长的酰基
碳链再与酰基载体蛋白 ACP结合，由 ACP负责转
运到脂肪酸合成的相关部位。经过数次循环反应后，
在 Fat A和 Fat B作用下脂肪酸合成终止，最终生
成 16碳和 18碳的游离脂肪酸。16碳的软脂酸通过
碳链的延长转变为 18碳的硬脂酸，硬脂酸在去饱
和酶的作用下，生成单不饱和脂肪酸油酸。油酸通
过酯化或降解作用可以转变为相应酰基 CoA和乙
酰 CoA进入到细胞质中，继而进入到内质网中参
与甘油脂类物质的合成。油酸也可以进入到细胞质
和内质网中，利用乙酰 CoA延长碳链合成 20碳以
上的脂肪酸；但是，脂肪酸从质体到细胞质或内质
网的运输方式目前尚不明确，可能与酰基 CoA结
合蛋白的运输有关。多不饱和脂肪酸的合成是在单
不饱和脂肪酸合成上衍生出来的。油酸 (C18:1Δ9)在
脂肪酸脱氢酶的作用下生成亚油酸 (C18:2Δ9,12)，亚
油酸又进一步催化生成亚麻酸 (C18:3Δ9,12,15)[25]。
对于大多数动物、酵母以及霉菌等异养生物，
脂肪酸的合成在细胞质内进行，如图 2所示 [26]。在
氮限制条件下，油脂积累过程被激活，AMP脱氨
酶活性增加，使 AMP转变为 IMP和 NH4
+。在富含
油脂的酵母和霉菌中，异柠檬酸脱氢酶 (isocitrate
dehydrogenase, ICDH)活性完全依赖于 AMP浓度的
acetyl-CoA：乙酰CoA；molonyl-CoA：丙二酰CoA；ACP：
酰基载体蛋白；ACCase：乙酰CoA羧化酶；fatty acid
synthase：脂肪酸合成酶；free fatty acids：游离脂肪酸；
Acyl-CoAs：酰基CoA。
图1 植物脂肪酸合成的基本过程[24]
ICDH：异柠檬酸脱氢酶；ACL, ATP:柠檬酸裂解酶；FAS：脂肪酸合酶；TCA循环：三羧酸循环。
图2 富含油脂的酵母和霉菌中油脂积累的代谢过程[26]
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变化，随着 AMP浓度的下降，线粒体中 ICDH活
性降低或丧失。随着 ICDH活性的改变，异柠檬酸
不再进入三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA)，
而是通过苹果酸 /柠檬酸转移酶由线粒体运出到细
胞质中。然后，在 ATP:柠檬酸裂解酶 (ATP:citrate
lyase, ACL)的催化下，生成乙酰 CoA和草酰乙酸。
ACL仅在富含油脂的酵母中发现，是酵母油脂代谢
中的关键酶。研究细胞内 ACL的代谢调控，通过
基因工程手段对油脂酵母进行改良，将有助于提高
油脂积累水平。Peksel等 [27]发现，黑曲霉 (Aspergillus
niger)利用葡萄糖在己糖激酶作用下生成柠檬酸。
在酵母和真菌糖酵解过程中，柠檬酸会抑制细胞中
磷酸果糖激酶 (phosphofrucctokinase, PFK)活性，而
NH4
+可以消除这种抑制作用 [26]。
异养原生生物的脂肪酸代谢一直备受争议。绝
大多数的原生生物，脂肪酸合成产生的 16:0和 18:0
脂肪酸经过一系列的去饱和作用和碳链延长反应
生成多不饱和脂肪酸 (PUFAs)，而海洋破囊壶菌
属裂殖壶菌 (Schizochytrium)除外，它并不需要经
过去饱和作用或碳链延长反应。这类原生藻菌异养
合成 PUFAs，如二十二碳六烯酸 (docosahexaenoic
acid, C22:6ω3, DHA)。DHA是由聚酮合酶 (polyketide
synthase, PKS)途径催化产生的，到目前为止，该途
径仅在深海细菌，如希瓦氏菌 (Shewanella)和海洋
被孢霉 (Moritella marina)中发现 [28]。
在脂肪酸合成途径的第一个反应中，ACCase
以生物素为辅基，HCO3−为羧基供体，在 ATP、
NADPH⋅H+、Mg2+以及 CoA-SH等辅助因子的作用
下，催化乙酰 CoA转化为丙二酰 CoA，作为脂肪
酸合成的中心碳供体。一般来说，ACCase由 4个
亚基构成：生物素羧化酶 (BC)、生物素羧基载体蛋
白 (BCCP)、α-羧基转移酶 (α-CT)和 β-羧基转移酶
(β-CT)[29]，如图 3所示。在含质体的生物细胞中，
ACCase存在于细胞质和质体中，并有两种不同的
存在形式——异质型 (heteromeric)和同质型 (homo-
meric)。异质型 ACCase存在于原核生物和大多数
植物细胞的质体中，其 4个亚基分别由 4个不同的
基因编码，其中 β-CT亚基是由质体中的 accD基因
编码，其余 3个亚基均由细胞核内的基因编码，再
被运输到质体中；而同质型 ACCase存在于动物、
植物和酵母等真核生物的细胞质以及禾本科植物的
质体中，是一条含 4个结构域的长多肽链，由细胞
核acc1基因编码合成，该基因具有高度的保守性 [30]，
如图 4所示。在动物细胞中，ACCase仅存在于细
图3 两种不同存在形式的ACCase功能结构域[29]
图4 高等植物和藻类细胞中ACCase的区室化分布[30]
何思思，等：微藻三酰甘油合成途径及其最新研究进展第9期 983
胞质中，由线粒体提供乙酰 CoA合成丙二酰 CoA，
作为脂肪酸合成途径的底物以及参与 β-氧化反应。
ACCase在植物细胞的细胞质和质体中均有存在，
质体中异质型 ACCase催化合成丙二酰 CoA，进行
脂肪酸的从头合成途径。细胞质中同质型 ACCase
合成丙二酰 CoA，主要作为脂肪酸碳链延长的前体
物质。另外，细胞质中丙二酰 CoA还可以参与其
他多种反应，如类黄酮物质和花青素的合成、链脂
肪酸 (VLCFA)的合成、D型氨基酸以及乙烯前体
物 1-氨基环丙烷 -1-羧酸的丙二酰化反应 [30]。
相比植物和动物细胞中 ACCase的研究，人们
对微藻细胞 ACCase的相关信息了解得相对较少。
之前有很多报道认为，微藻细胞质体中只有异质型
ACCase这一存在形式，但研究表明，并不是所有
微藻细胞都符合这一情况。Livne和 Sukenik[31]以
及 Roessler [32]在定鞭藻门球等鞭金藻 (Isochrysis
galbana)和硅藻门隐小环藻 (Cyclotella cryptica)细
胞的质体中发现同质型 ACCase存在。而 Huerlimann
和 Heimann[29]根据其他物种中 ACCase相似氨基酸
序列，证明了莱茵衣藻细胞质体中 ACCase是异质
型。最近研究表明，不同种类的微藻其 ACCase结
构并不相同，微藻细胞中 ACCase属于同质型还是
异质型取决于细胞中质体的来源。与线粒体相似，
内共生理论也适用于微藻细胞中质体的起源和演
化，因此，微藻细胞中质体存在有 2层或 3~4层膜
的现象。结合内共生理论与不同门类的微藻蛋白质
组学分析表明，红藻门 (Rhodophyta)与绿藻门
(Chlorophyta)细胞质体具有双层膜结构，为初级内
共生的来源，质体中 ACCase为异质型；绿藻门中
的葱绿藻纲 (Prasinophyceae)除外，其质体中 ACCase
为同质型。另有一些门类的藻类，如异鞭藻门
(Heterokontophyta)、定鞭藻门 (Haptophyta)、隐藻门
(Cryptophyta)以及含顶质体的顶复门 (Apicom-plexa)
等细胞中的质体具有 3~4层膜，由次级内共生衍生
而来，其质体中 ACCase为同质型。对绿藻门小球
藻细胞内异质型 ACCase的 β-CT亚基基因 accD和
同质型 ACCase的基因 acc1研究发现，accD基因
表达水平上升，细胞内总脂含量提高；而基因 acc1
的表达对油脂的积累影响并不大 [33]。
2　DAG的从头合成途径
真核生物 DAG的合成有多种途径。Kennedy
途径是 TAG从头合成的主要途径，该途径从 G-3-P
开始。二羟丙酮磷酸 (DHAP)和还原态烟酰胺腺
嘌呤二核苷酸 (NADH) 在甘油 -3- 磷酸脱氢酶
(glycerol-3-phosphate dehydrogenase, GPDH)作用下
生成 G-3-P和氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+
的 [34]。GPDH是生物体内脂类代谢的一种重要催化
酶。通过对莱茵衣藻 [35-36]、杜氏藻 (Dunaliella)[37]
以及嗜糖小球藻 (Chlorella saccharophila)[38]等微藻
细胞内 GPDH的研究发现，在一定的渗透压调节下，
GPDH的表达有利于藻细胞内油脂积累。G-3-P是
细胞合成油脂的重要前体物质，它可以作为 3-磷
酸甘油磷酸酶 (glycerol-3-phosphatase, GPP)的底物
生成甘油，也可以通过酰基化反应合成 DAG[39]，
如图 5所示。G-3-P与脂酰 CoA在甘油 -3-磷酸酰
基转移酶 (G-3-P acyltransferase, GPAT)作用下，在
其 sn-1或是 sn-2位上进行酰基化，生成溶血磷脂
酸 (lysophosphatidic acid, LPA)。LPA在溶血磷脂酸
酰基转移酶 (LPA acyltransferase, LPAT)作用下，利
用另一分子脂酰CoA进一步生成磷脂酸 (phosphatidic
acid, PA)。最后，PA在磷脂酸磷酸酶 (PA phosphatase,
PAP)作用下脱去一分子磷酸 (Pi)生成 DAG，进一
步用于 TAG的合成。
GPAT催化 G-3-P和长链酰基 CoA发生酯化反
应是真核生物中TAG合成的第一个限速步骤。对人、
小鼠等哺乳动物的研究发现，GPAT有 4个亚型：
Gpat1、Gpat2、Gpat3和 Gpat4，其中 Gpat1和 Gpat2
位于线粒体外膜上，两者的活性对巯基试剂，如 N-
乙基马来酰亚胺 (NEM)具有耐受性，而 Gpat3和
Gpat4存在于内质网膜上的微粒体中，其活性受
NEM的抑制 [40]。GPAT的 4个亚型都参与TAG合成，
G-3-P：3-磷酸甘油；LPA：溶血磷脂酸；PA：磷酸；
DAG：二酰甘油；MAG：单酰甘油；GPAT：3-磷酸甘油酰
基转移酶；LPAT：溶血磷脂酸酰基转移酶；PAP：磷脂酸
磷酸酶；LPAP：溶血磷脂酸磷酸酶；MGAT：单酰甘油酰
基转移酶；DGAT：二酰甘油酰基转移酶。
图5 DAG(1)的从头合成途径[39]
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以 G-3-P作为酰基的受体，但每个亚型对底物酰基
供体的要求不同，进而对 TAG的合成调节作用也
不同。Gpat1对底物的选择性很高，主要是以 16:0-
CoA和 18:0-CoA等长链饱和酰基 CoA作为酰基的
供体，在人和鼠的肝脏、脂肪组织等部位高效表达，
对 TAG合成的调节具有重要作用。Gpat2对底物的
选择性不高，不要求酰基供体为长链酰基 CoA，在
TAG合成过程中具有一定的调节作用。Gpat3和
Gpat4对底物的选择范围广，12~20碳的酰基 CoA
都可以利用，在脂肪组织分化时活性升高，诱导脂
肪生成以及 TAG合成 [40-41]。硅藻假小海链藻 GPAT
基因被发现在酵母缺陷株中异源表达，TpGPAT能
有效的利用 G-3-P作为脂酰基的受体，且对 16:0-
CoA具有优先选择性，继而影响甘油脂的合成 [42]。
研究证实，除通过 Kennedy途径外，动植物也
可以利用单酰甘油 (monoacylglycerol, MAG)合成
DAG [39]，如图 5所示。动物体内MAG由胰腺脂肪
酶体释放，进入到肠脏中，接着单酰甘油酰基转移
酶 (MAG acyltransferase, MGAT)以酰基 CoA为酰
基供体，以MAG为酰基受体合成 DAG。MAG和
Kennedy途径最终都在 DGAT催化作用下合成
TAG。研究认为，MGAT催化的反应对动物体小肠
分解 TAG产生的 MAG具有重要的吸收作用 [43]。
一直以来，MAG被认为是动物中油脂合成的重要
底物，很少认为植物也可以利用MAG合成 TAG。近
年来的研究表明，植物、酵母等体内存在MAG [44-46]，
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)、向日葵 (sunflower)、
大豆 (peanuts)和烟草 (Nicotiana benthamiana)等体
内可以通过 MAG合成 TAG，但是 MGAT催化的
酰基化位点不同，如向日葵是以 sn2-MAG作为酰
基的受体，而大豆是以 sn1-MAG作为酰基受体 [47]。
在拟南芥中，溶血磷脂酸磷酸酶 (LPA phosphatase,
LPAP)可以将 LPA转变为MAG，然后在M/DGAT
的作用下，sn2-MAG发生酰基化生成 DAG[45]。除
动物和植物外，嗜糖小球藻 (C. saccharophila)、三
角褐指藻 (P. tricornutum)、菱形藻 (Nitzschia sp.)等
一些微藻也具有MAG成分 [48-49]。Liu等 [48]对产油
微藻若夫小球藻 (C. zofingiensis)油脂成分的分析发
现，该藻在异养培养条件下细胞中会产生少量的
MAG。然而，微藻细胞中尚未见有MGAT途径的
研究报道。
3　DAG的其他合成途径
生物体内的脂肪酸可以经过酰基化等修饰用于
膜脂中磷脂酰胆碱 (Phosphatidylcholine-modified FA,
PC-mFA)的合成，最终参与到 DAG/TAG的合成途
径中，如图 6所示。从头合成途径合成的 DAG(1)
在 CDP-胆碱 :二酰甘油磷酸胆碱转移酶 (CDP-
choline:DAG cholinephosphotransferase, CPT)或磷
脂酰胆碱 :二酰甘油磷酸胆碱转移酶 (PC:DAG
cholinephosphotransferase, PDCT)的作用下生成 PC-
18:1[50-52]。PC-18:1又可以作为底物，在 FAD2和 FAD3
两种脱氢酶的作用下去饱和，分别生成 PC-18:2和
PC-18:3。这些被修饰的 PC(PC-mFA)可以在 PDCT
催化作用下脱去 CDP-胆碱，形成 DAG(2)，也可
以释放出 sn-2位上的不饱和脂肪酸进入到酰基循环
利用 (acyl editing cycle)过程；释放出来的脂肪酸还
可以在 PDAT催化下与 DAG(2)合成 TAG[53-54]。酰
基循环利用过程是一个脱酰 -再酰化的过程。首先，
PC释放出一分子酰基，在酰基 CoA:溶血磷脂酸
胆碱酰基转移酶 (acyl-CoA:lyso-phosphatidyl-choline
acyltransferase, LPCAT)反作用催化下，产生溶血磷
脂酸胆碱 (lyso-phosphatidylcholine, LPC)，它是脂
肪酸从质体中释放出来进入到酰基循环利用过程的
主要受体；随后，LPC在 LPCAT的作用下再酰化，
形成 PC，完成酰基的循环利用过程；但并不是所
有进入酰基循环过程的脂肪酸都参与合成 PC-
mFA，它也可以进入从头合成途径合成 TAG。芫荽
(coriander)18:1Δ6脂肪酸从质体中释放出来后，优先
于 DAG的从头合成途径而合成 PC-mFA[55]。
DAG：二酰甘油；PC：磷脂酰胆碱；FA：脂肪酸；LPC：
溶血磷脂酰胆碱；CPT：CDP-胆碱:二酰甘油磷酸胆碱转移
酶；PDCT：磷脂酰胆碱:二酰甘油磷酸胆碱转移酶；FAD2/
FAD3：脂肪酸脱氢酶；LPCAT：酰基CoA:溶血磷脂酸胆碱
酰基转移酶。
图6 酰基循环利用过程及PC衍生的DAG(2)合成过程[53]
何思思，等：微藻三酰甘油合成途径及其最新研究进展第9期 985
4　从DAG到TAG的合成途径
真核生物 TAG的合成主要有两种途径，涉及
3种关键酶：第一种途径是依赖于酰基 CoA的从头
合成途径，DGAT是该途径的限速酶；第二种是不
依赖于酰基 CoA的合成途径，其限速酶包括 PDAT
和 DGTA，如图 7所示。
DGAT催化途径是 TAG从头合成的主要途径，
几乎在所有研究过的真核生物中均有存在。DGAT
主要有两种非同源性的同工酶：DGAT1和 DGAT2。
它们催化相同的反应，但本身的分子结构和氨基酸
序列不同 [56]。在少数的几种植物中有 DGAT3亚型
的报道 [57]，但它在 TAG合成中的作用尚不清楚。
不同生物体内 DGAT1和 DGAT2的结构和作用不
同。动物中 DGAT2比 DGAT1具有更高的酶活性
与底物亲和力，更有利于 TAG的积累 [58]。小鼠的
dgat1和 dgat2基因敲除实验发现，这两个亚型发挥
的功能并不相同，dgat1缺失的小鼠表现为肥胖，
而 dgat2缺失的小鼠在出生几个小时后便死亡 [59]。
高等植物中 DGAT1与 DGAT2在 TAG合成中发挥
的功能也各有不同，如橄榄 (Olive)中 DGAT1在
TAG的积累中发挥着更突出的作用，而油桐 (Tung
tree)和蓖麻 (Castor)种子中 DGAT2的作用更大。
DGAT1趋向于催化 16:0和 18:1脂肪酸与 sn3-DAG
合成 TAG，而 DGAT2更趋向于利用含氧和羟基的
特殊脂肪酸合成 TAG[60]。DGAT1结构也比 DGAT2
复杂，通过生物信息学软件分析得知，DGAT1有
6~9个跨膜结构域，而 DGAT2一般只有 1~2个跨
膜结构域 [22]。大多数高等植物、真菌和动物中只编
码单个 DGAT2基因，而藻类有多种 DGAT2基因亚
型，但单细胞红藻梅罗那蓝裂藻 (Cyanidioschyzon
merolae)除外。酵母中 DGAT2的保守序列“YFP”
是 DGAT2活性的必需基团 [61]，它在动物和高等植
物中高度保守，而即使同一种藻的不同 DGAT2其
保守程度有很大差异。同时，DGAT2另一个增强
活性的保守序列“PH”在藻类中也存在差异 [22]，
小鼠 DGAT2中的“HPH”突变为“AGA” 将导致
其催化活性降低 80%[62]。对 DGAT酶进行失活处理
后发现，生物体内仍然能合成 TAG，这表明除了
DGAT途径外，生物体内还存在其他途径，即
PDAT途径和 DGTA途径。
PDAT以磷脂为酰基的供体，以 DAG为酰基
的受体，将磷脂上的脂酰基转移给 sn-1,2-DAG，促
进 TAG合成。PDAT是一种不依赖于酰基 CoA的
DAG：二酰甘油；DGAT：二酰甘油酰基转移酶；Acyl-CoA：乙酰CoA；PC：磷脂酰胆碱；PDAT： 磷脂:二酰甘油酰基转移
酶；2-LPC： sn2-溶血磷脂酰胆碱；MAG：单酰甘油；DGTA：二酰甘油转酰酶；TAG：三酰甘油。
图7 由DAG合成TAG的主要合成途径[22]
生命科学 第26卷986
多功能酶，并与真核生物中膜脂成分的变化密切相
关。在植物中，随着 TAG的积累，该酶与膜脂的
流动性和降解有关 [7]。在酵母中，PDAT基因序列
与编码哺乳动物卵磷脂 -胆固醇 O-酰基转移酶
(phosphatidylcholine-sterol O-acyltransferase, LCAT)
同源，且酵母细胞内 TAG合成主要是通过 PDAT
途径，DGAT的作用很小 [63]。除酵母外，在向日葵、
蓖麻子等油料作物的微粒体中也克隆到了 PDAT基
因 [15]。对莱茵衣藻 PDAT蛋白的氨基酸序列的分析
表明，该蛋白属于膜结合的O-酰基转移酶 (MBOAT)
家族。PDAT是一种膜内在蛋白，存在一小段的跨
膜结构域。酵母和维管植物的 PDAT存在于内质网
中。还有一些植物的 PDAT定位于叶绿体，在内质
网中并未检测到相关的信号肽。体外 PDAT酶活性
研究表明，PDAT具有底物专一性，并且它对 1,2-
DAG的作用比 1,3-DAG的作用更突出 [7]。
DGTA可利用两个 DAG分子分别作为酰基的
受体和供体来催化 TAG合成；反之，它也能催化
TAG，使之脱下一个酰基分子给MAG，生成两分
子的 DAG [63]。动物体内 DGTA对于 TAG的重新合
成起着重要的作用。Lehner和 Kuksis[18]以及 Lung
和Weselake[63]从小鼠小肠微粒体内纯化出 DGTA
酶，并发现该酶只能利用 sn-1,2-DAG和 sn-2,3-DAG，
不能利用 sn-1,3-DAG或其他中性酯。此外，在向
日葵和产油酵母也发现了有类似功能活性的酶。对
向日葵种子发育阶段 TAG形成过程的研究发现，
DGTA途径对 TAG合成具有重要作用。但是，目
前尚未在任何生物中证实有编码该酶的基因。
5　提高微藻油脂积累水平的基因工程策略
与动植物相比，微藻油脂产率较高，是未来生
物柴油生产的重要原料之一。近年来，研究者们主
要通过基因敲除和超表达等手段来调节细胞内脂肪
酸合成途径和 Kennedy途径中相关酶的表达，从而
提高动植物、微藻等生物中油脂含量。在脂肪酸合
成途径中，ACCase和 FAS起着至关重要的作用。
研究者们试图通过超表达 ACCase和 FAS来提高细
胞内油脂含量。Dunahay等 [64]对硅藻隐小环藻和
腐生舟形藻 (Navicula saprophila)细胞 ACCase基因
进行超表达发现，细胞内 ACCase酶活性提高了
2~3倍，但油脂含量并没有明显提高。Dunahay等 [65]
分析原因，认为可能是受到反馈抑制的调节作用，
虽然 ACCase酶活性增强了，但是被细胞内的其他
代谢途径所抵消，导致 TAG含量没有明显提高。
Verwoert等 [66]将油菜籽 FAS基因的 KAS Ш亚基在
大肠杆菌中超表达，结果发现细胞中脂肪酸成分发
生变化，短链脂肪酸 (14:0)含量增加而 18:1脂肪酸
含量降低，但是细胞中油脂含量没有提高并严重影
响了细胞的生长。这可能是因为 FAS是一个包含多
个亚基的复合酶，且藻类细胞的基因工程技术不如
植物中的成熟，这给藻类基因的超表达增加了难
度 [67]。目前尚未见微藻细胞内超表达 FAS基因的
报道。
虽然脂肪酸合成途径中超表达实验未获得理想
的结果，但高等植物 TAG合成途径中转基因实验
取得了较好的成果。过去为了提高生物体内油脂的
合成，注意力往往集中在脂肪酸的合成与利用上，
而忽略了 3-磷酸甘油的供给在甘油三酯合成过程
中所扮演的重要角色。3-磷酸甘油作为重要的前体
物质，其含量的多少直接关系到最终目标产物含量
的多少，因此，将油脂代谢的前体合成有关基因进
行过量表达，逐渐被认为是一条提高细胞含油总量
的有效方法 [68]。Vigeolas等 [69]在油菜种子中超表
达酵母 GPDH基因，使得细胞中油脂含量增加了
40%。Jain等 [70]在拟南芥中分别超表达红花和大肠
杆菌的 GPAT基因，发现油脂含量均有明显的提高。
目前已有一些微藻，如莱茵衣藻 [71]和硅藻假小海
链藻 [42]中 GPAT基因相继被报道。Zou等 [72]将酵
母 GPAT基因在拟南芥和油菜中超表达，油脂含量
提高 8%~48%。高效表达 DGAT也会是磷脂酸进入
油脂合成途径。Jako等 [73]首次在野生型拟南芥中
过表达特异性 DGAT基因，结果显示 DGAT酶活性
提高了 10%~70%。莱茵衣藻、假小海链藻和海洋
真核微藻金牛驼球藻 (Ostreococcus tauri)的基因组
中均存在 DGAT基因。假小海链藻的 DGAT2基因
在酿酒酵母 H1246突变株中表达后，具有酰基转移
酶的活性 [74]。氮饥饿培养下，莱茵衣藻的 3个酰基
转移酶 DGAT、PDAT和 DGTA的基因的 mRNA量
增加，同时 TAG的积累量也显著增加 [75]。目前，
还没有文献报道这些酶的超表达是否会提高微藻油
脂的积累，但鉴于这些酶在植物 (油菜、拟南芥、
大豆、玉米等 )中能提高油脂含量，将其应用到微
藻油脂含量提高中，很可能是一个突破口。
此外，通过基因工程的手段降低脂类的分解代
谢以及抑制脂类流向蛋白质和碳水化合物，如淀粉、
多糖等的合成，也是提高油脂产率的策略之一。脂
何思思，等：微藻三酰甘油合成途径及其最新研究进展第9期 987
类的分解代谢主要是脂肪酸的 β-氧化过程，酰基
CoA氧化酶、酰基 CoA合成酶、肉碱酰基转移酶 I、
脂酰基 CoA脱氢酶等是该过程的关键酶。通过基
因敲除方法敲除该过程中的关键基因可以增加细胞
内脂类含量。Roessler[76]研究表明，抑制硅藻隐小
环藻中金藻昆布糖合成酶活性，流向脂类合成的碳
增加。Li等 [77-78]研究指出，莱茵衣藻中 ADP-葡萄
糖焦磷酸化酶 (ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)
活性丧失，细胞内淀粉合成受阻，脂类含量增加 10
倍。对藻细胞内的 TAG代谢途径和关键基因进行
解析，有利于探索油脂的代谢机理，为从根本上提
高油脂产量提供基础。
6　小结
开发非食用油脂 (如微藻油脂 )，用于生物柴
油的制备是近年来的研究热点。微藻具有繁殖速度
快、生产周期短以及不受场地、气候变化影响等优
点。研究表明，在适当条件下，微藻细胞内可积累
大量油脂。但微藻生物燃料的商业利用还存在许多
挑战。 在对其脂类代谢，特别是 TAG的生物合成
和代谢调控有了清楚的认识后，我们就可以通过生
化调控或基因工程策略提高微藻细胞内油脂的含量
和产量，从而使微藻生物燃料的工业化成为可能。
微藻的基因工程改造是调控微藻代谢最为有效的手
段，主要在莱茵衣藻中取得了一些与 TAG积累相
关的研究进展。随着微藻基因工程技术的发展，已
经建立了几种有效的微藻遗传转化技术，如粒子轰
击法、玻璃珠法、电穿孔法和农杆菌介导转化法等，
以及选择标记技术 [68,79]。通过转录因子调节基因的
表达来调节微藻脂肪代谢是最近提出的一个新策
略。随着现代基因工程操作手段的进步，以及系统
生物学、合成生物学和生物信息学等方法的引进，
使得微藻基因工程改造前景广阔 [79]。本文以微藻为
主要阐述对象，全面介绍了 TAG的生物合成途径、
相关关键酶，以及基因工程改造策略，为微藻油脂
代谢的机理研究及微藻生物燃料的开发提供了理论
依据。
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