全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (6): 571–580, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2012.00571
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收稿日期: 2012-03-05; 接受日期: 2012-04-27
基金项目: 国家自然科学基金(No.61173098)和中国科学院十二五基础前沿专项(No.KSCX2-EW-J-29)
* 通讯作者。E-mail: hwang@ucas.ac.cn
利用异源生物生产青蒿素及其前体的研究进展
李星1, 郝鹤1, 池剑亭1, 王红1*, 叶和春2
1中国科学院大学生命科学学院, 北京 100049; 2中国科学院植物研究所, 北京 100093
摘要 青蒿素是从中药青蒿中分离出来的一种倍半萜内酯类化合物, 也是目前最有效的抗疟疾药物, 对人类健康意义重
大。该文通过对青蒿素生物合成途径及其相关酶的介绍, 综述了利用异源生物通过组合生物合成途径生产青蒿素及其前体
的最新研究进展。
关键词 青蒿素, 生物合成途径, 大肠杆菌, 恶性疟原虫, 酵母, 烟草
李星, 郝鹤, 池剑亭, 王红, 叶和春 (2012). 利用异源生物生产青蒿素及其前体的研究进展. 植物学报 47, 571–580.
自20世纪70年代中国科学家从中药青蒿(Arte-
misia annua L.)中提取和分离到青蒿素(artemisinin)
并成功解析其结构以来(Liu et al., 1979), 世界抗疟
药物研发的历史翻开了新的篇章。青蒿素以其速效、
低毒的特点, 已成为目前最有效的抗疟药物。同时,
以青蒿素为基础的综合治疗 (artemisinin-based
combination therapies, ACTs)也因其能最大限度地
降低寄生虫的抗药性而被世界卫生组织认为是最值
得推广的治疗方法(Bhattarai et al., 2007)。然而, 青
蒿素的高效经济获取并不容易。首先, 青蒿素主要是
在青蒿叶片和花蕾表面特化的组织——分泌腺毛内合
成并储存(Lommen et al., 2006)。野生青蒿植株中青
蒿素含量很低, 通常不到其干重的1%(Arsenault et
al., 2008)。其次, 青蒿素的提取环节相对复杂, 导致
最终能分离得到的有效产量比较低。此外, 通过化学
手段合成青蒿素更是存在合成工艺复杂、毒副作用大
等诸多弊端(Yadav et al., 2003)。上述因素导致青蒿
素的价格一直居高不下。据报道, ACTs所需费用要高
于传统单一疗法的10倍以上, 这也是限制ACTs在世
界范围内全面推广的最主要因素(Wiseman et al.,
2006)。更为遗憾的是, 疟疾高发区多集中于亚非拉
等经济欠发达地区, 这种状况更迫切需要实现青蒿素
的高效、快速、经济和大量生产。
自从青蒿素的药用价值被发现以来, 利用各种生
物学技术手段高效生产青蒿素及其前体就成为研究
的热点, 并取得了许多成果。本文针对利用异源平台
作为生物反应器, 通过组合生物合成生产青蒿素及其
前体这一领域的研究进展进行综述。
1 青蒿素生物合成途径的认识和解析
青蒿素的生物合成途径属于植物类异戊二烯代谢途
径。一般认为, 植物类异戊二烯的生物合成至少存在
2条途径 , 即甲羟戊酸途径 (mevalonate pathway,
MVA pathway)和丙酮酸 /磷酸甘油醛途径 (2-C-
methyl-D-erythritol 4-phosphate, MEP pathway), 后
者也被称为脱氧木酮糖磷酸途径 (1-deoxy-D-xylu-
lose 5-phosphate pathway, DXP pathway)。甲羟戊
酸途径和丙酮酸/磷酸甘油醛途径分别存在于细胞质
和质体中, 前者是以细胞质中的乙酰辅酶A为起始底
物, 而后者则以质体中的3-磷酸甘油酸和丙酮酸为起
始底物(Newman and Chappell, 1999)。由上述2条途
径合成异戊烯基焦磷酸 (isopentenyl diphosphate,
IPP)及其同分异构体二甲基烯丙基焦磷酸(dimethyl-
allyl pyrophosphate, DMAPP)。
IPP和DMAPP也是所有萜类化合物的基本构件
分子。1分子IPP与DMAPP头尾缩合便可形成牻牛儿
基焦磷酸(geraniol diphosphate, GPP); GPP继续与
1分子IPP缩合之后便可形成常见的倍半萜类化合物
(包括青蒿素)生物合成的前体物质——法呢基焦磷酸
·特邀综述·
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(farnesyl pyrophosphate, FPP)。该两步体内酶促反
应是由法呢基焦磷酸合酶(farnesyl pyrophosphate
synthase, FPS)催化的。以往认为青蒿素生物合成所
需的 IPP来源于MVA途径 , 但有证据表明MVA和
MEP途径产生的 IPP均参与了青蒿素的生物合成
(Towler and Weathers, 2007)。Schramek等(2010)
也推测来自MVA和MEP途径的IPP很可能是在质体
中形成GPP, 之后被运输到细胞质中进行第2次缩合
形成FPP。
来自细胞质和质体的IPP缩合形成的FPP进入青
蒿素的生物合成途径后, 首先被一种青蒿素合成特异
的倍半萜环化酶——紫穗槐二烯合酶 (amorpha-
4,11-diene synthase, ADS)催化形成紫穗槐-1,4-二
烯(Chang et al., 2000; Mercke et al., 2000; Wallaart
et al., 2001)。一方面, 紫穗槐二烯可被一种细胞色素
P450基因的编码产物CYP71AV1连续进行三步催化
后释放出青蒿酸(Ro et al., 2006; Teoh et al., 2006)。
青蒿酸可先转化为青蒿素B(arteannuin B), 之后进一
步转变为青蒿素; 同时青蒿酸也可以在体外经过半合
成形成青蒿素(Nair and Basile, 1993)。另一方面, 紫
穗槐二烯也可经P450催化形成青蒿醛后, 继续被一
种双键还原酶DBR2(Zhang et al., 2008)还原为二氢
青蒿醛, 后者再由一种醛还原酶Aldh1(Teoh et al.,
2009)催化形成二氢青蒿酸(图1)。Wallaart等(1999)
发现二氢青蒿酸能在叶绿素a存在的条件下在体外缓
慢转化为青蒿素。Sy和Brown(2002)也发现二氢青蒿
酸在有机溶剂中能自发缓慢地转化为青蒿素。因此,
普遍认为二氢青蒿酸可以通过非酶促反应自动转化
成青蒿素, 且该过程可能是一种自发的光氧化 反应。
综上所述, 青蒿酸和二氢青蒿酸均能以独立的代
谢途径形成青蒿素, 这2条支路之间似乎存在一定的
竞争关系(图1)。而CYP71AV1和DBR2则直接扮演了
竞争青蒿醛的角色, 这2个蛋白很可能起到平衡植物
体内青蒿酸和二氢青蒿酸含量的作用(Arsenault et
al., 2008)。Nair和Basile(1993)发现青蒿叶片粗提物
在体外能以青蒿酸为底物, 将其转化为青蒿素B, 进
而转化为青蒿素。由此, 他们认为青蒿酸应该是青蒿
素合成的主要前体。后来, Brown和Sy(2004, 2007)
分别用13C标记的青蒿酸和二氢青蒿酸饲喂青蒿植株,
结果表明, 首先, 两种情况下均未检测到被标记青蒿
素的大量累积; 其次, 饲喂青蒿酸后仅检测到青蒿素
B的大量累积, 并且未检测到青蒿酸向二氢青蒿酸的
转化; 此外, 饲喂二氢青蒿酸后能够检测到一系列被
标记的倍半萜类物质, 但检测不到二氢青蒿酸向青蒿
酸的转化。以上结果说明: (1) 青蒿酸与二氢青蒿酸在
植物体内并不能相互转化; (2) 青蒿素并不能通过直
接饲喂两种可能的前体(青蒿酸或二氢青蒿酸)而直接
大量产生。Brown和Sy(2004)同时还发现, 在所检测
到的被标记的倍半萜类化合物中包括一些二氢青蒿
酸的carboxyenol衍生物, 将其置于氯仿中温育后会
自发转化为青蒿素。他们推测这种转化只能发生在羟
基稳定存在的亲脂性的微环境中, 而青蒿叶片和花蕾
表面亲脂性的分泌腺毛正好为青蒿素的形成和储存
提供了得天独厚的场所。
迄今为止, 青蒿素的生物合成途径虽未完全揭示
清楚, 但已有大致轮廓。从图1可以看出, 通过MVA
或者MEP途径而产生的FPP经过ADS催化形成紫穗
槐-4,11-二烯之后, 可能通过2条独立又相互竞争的
路径逐步被氧化后殊途同归, 最终形成青蒿素。
2 增加青蒿素产量及异源生产青蒿素的
策略和手段
青蒿素的独特药用价值被发现后, 随着对青蒿素生物
合成途径研究的不断深入, 利用各种手段来增加青蒿
素产量或直接生产青蒿素及其前体的研究便不断涌
现。总体上说, 这些手段包括以下几种: 育种学手段
(Liersch et al., 1986; Fulzele et al., 1991; Ferreira et
al., 1995; de Magalháes et al., 1997; Sangwan et
al., 1999; Wallaart et al., 1999; Towler and Wea-
thers, 2007; Lin et al., 2011); 进行青蒿的细胞、组
织、发根培养及培养条件的优化(Weathers et al.,
1994; Ferreira and Janick, 1996; 刘本叶等, 1998;
耿飒等, 2001; Wang and Weathers, 2007; Zeng et
al., 2007; Asadollahi et al., 2008; Lei et al., 2011);
对青蒿的遗传转化(Vergauwe et al., 1996, 1998; 陈
大华等, 1998; Chen et al., 2000; Geng et al., 2001;
Wang et al., 2004; Han et al., 2006); 利用各种异源
生物作为反应器生产青蒿素及其前体。上述手段又可
以简单地分为非转基因手段和转基因手段。非转基因
手段在20世纪80–90年代应用比较广泛, 其结果使青
蒿中青蒿素的含量得到了一定程度的提高。随着对青
李星等: 利用异源生物生产青蒿素及其前体的研究进展 573


图1 青蒿素生物合成途径
ADS: 紫穗槐二烯合酶; ALDH1: 醛脱氢酶; CYP71AV1: P450酶; DBR2: 青蒿醛D11(13)双键还原酶; RED1: 还原酶1; GAP: 3-磷
酸甘油醛; DXP: 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸; HMBPP: 1-羟基-2-甲基-2-(E)-正丁巴比妥-4-焦磷酸; MEP: 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸;
IPP: 异戊烯焦磷酸; DMAPP: 二甲基烯丙基焦磷酸; GGPP: 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸; HMG-CoA: 3-羟基-3-甲基-戊二酰-CoA;
MVA: 甲羟戊酸; MVAPP: 甲羟戊酸焦磷酸; FPP: 法呢基焦磷酸。

Figure 1 Artemisinin biosynthetic pathway
ADS: Amorpha-4,11-diene synthase; ALDH1: Aldehyde dehydrogenase; CYP71AV1: P450 enzymes; DBR2: Artemisinic
aldehyde D11(13) double bond reductase; RED1: Reductase 1; GAP: Glyceraldehyde 3-phosphate; DXP: 1-deoxy-D-xylulose
5-phosphate; HMBPP: 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl-4-pyrophosphate; MEP: 2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate; IPP:
Isopentenyl pyrophosphate; DMAPP: Dimethylallyl pyrophosphate; GGPP: Geranylgeranyl pyrophosphate; HMG-CoA:
3-hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA; MVA: Mevalonate; MVAPP: Mevalonate pyrophosphate: FPP: Farnesyl pyrophosphate.


蒿素生物合成途径认识和研究的不断深入, 通过将异
源或是青蒿内源的与青蒿素生物合成相关的基因转
入青蒿以提高青蒿素含量的策略也逐渐发展起来, 并
取得了较好的效果。例如, Chen等(2000)早期获得的
转棉花(Gossypium hirsutum)fps的青蒿植株中, 青
蒿素含量最高可达到10.08 mg·g–1DW, 比野生型提
高了3倍; Zhang等(2009)利用RNAi手段对青蒿体内
鲨烯合酶基因进行特异性沉默后, 发现转基因青蒿中
青蒿素含量为对照组的3.14倍, 达31.4 mg·g–1 DW,
此转基因青蒿为目前已知的所有能产生青蒿素的青
蒿株系中含量之最。Liu等(2010)已非常详细地综述了
通过遗传转化来提高青蒿中青蒿素的含量, 在此不再
赘述。
近年来, 科研人员将目光转向以异源生物(包括
植物和微生物)作为反应器来高效生产青蒿素。目前,
利用这一代谢工程平台来生产特殊次生代谢产物似
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乎很有活力。许多萜类和其它植物次生代谢物的合成
通路都被“搬”进经遗传改造的一系列微生物体内, 其
中主要包括大肠杆菌 (Escherichia coli)(Lee and
Schmidt-Dannert, 2002; Martin et al., 2003; Nielsen
et al., 2005; Newman et al., 2006; Chang et al.,
2007; Picaud et al., 2007)和酵母(Sacchromyces
cerevisiae)(Lindahl et al., 2006; Ro et al., 2006;
Asadollahi et al., 2008)。与此同时, 少数植物如番茄
(Lycopersicon esculentum)(Kovacs et al., 2007)、马
铃薯(Solanum tuberosum)(Ducreux et al., 2005)、菊
苣(Cichorium intybus)(de Kraker et al., 2003)、莴苣
(Lactuca indica) (Cho et al., 2005)和烟草(Nicotiana
benthamiana) (Van Herpen et al., 2010; Zhang et
al., 2011)也被尝试用作一些小分子代谢物异源表达
的宿主。
2.1 大肠杆菌
利用微生物平台进行萜类化合物的生产是可行的, 这
主要是因为萜类化合物生物合成的许多催化步骤在
高等植物与原核生物中是高度保守与共享的。大肠杆
菌因其生长快速且容易进行遗传操作而成为生产次
生代谢物的理想宿主。
大肠杆菌中IPP来自DXP代谢途径。由于对该途
径的改造和调控相对复杂 , Martin等(2003)将酵母
MVA途径中的8个关键酶基因整合为2个操纵子后共
同导入大肠杆菌中。其中, 一个操纵子MevT负责将乙
酰辅酶A转换为甲羟戊酸; 另一个操纵子MBIS负责
从甲羟戊酸到FPP的转变, 希望可以借此绕过DXP途
径来高效产生FPP。结果显示该代谢途径的所有基因
都表达, 并在细菌细胞内形成并积累了大量FPP。然
而, FPP或IPP及DMAPP等中间产物的过量积累严重
抑制了细菌的生长。于是, 在此基础上又共表达了一
个经定点突变改造后符合大肠杆菌密码子偏爱性的
青蒿ADS基因, 成功地使FPP转化为无毒性的紫穗槐
二烯, 从而免除了对细胞的毒害作用。另外, Pitera等
(2007)发现, 仅仅转化MevT单个操纵子会积累毒害
大肠杆菌细胞的HMGR-CoA, 若同时共表达HMGR
基因, 则可消除其影响并使甲羟戊酸含量增加2倍。
上述结果表明, 在大肠杆菌中成功地过表达萜类共有
途径或特有途径中的相关酶基因后都可以催化其相
应底物的有效转化。Newman等(2006)在此工程菌的
基础上优化发酵工艺 , 使紫穗槐二烯的含量达到
280–480 mg·L–1。Yuan等(2006)发现, 不仅通过转入
质粒构建的操纵子可以提高甲羟戊酸含量, 将MVA
途径整合到细菌染色体上也能有效提高其含量。
利用工程大肠杆菌生产萜类化合物最大的挑战
莫过于表达有正常活性的细胞色素P450基因。由于
大肠杆菌对于蛋白翻译后修饰、正确折叠、蛋白在膜
系统上的整合以及一些辅因子的结合等问题都存在
缺陷或不足, 这些原因使得能否在大肠杆菌中功能性
表达植物CYP基因成为一个不得不考虑的问题。
Chang等(2007)在工程菌中表达青蒿素合成途径中
的CYP71AV1基因时, 体内和体外实验都检测不到
其活性。通过对密码子的优化及N端跨膜结构域的修
饰后, 才能够检测到较低浓度的青蒿醇。当继续将一
个青蒿来源的CPR基因转入到细菌体内与CYP71-
AV1匹配后, 最终能使青蒿醇的含量达到5.6 mg·L–1,
其浓度为转入CPR基因之前的12倍, 但仅为高产工
程酵母的1/20左右。
2.2 酵母
相对于大肠杆菌的不足之处而言, 工程酵母的优点是
显而易见的。(1) 酵母属于真核系统, 较大肠杆菌与
植物的亲缘关系更近; (2) 发酵时间相对也短(4–5
天); (3) 目标产物的合成量高, 是植物来源的2个数
量级以上(Arsenault et al., 2008); (4) 具有内膜系统,
能更好地表达一些膜整合或膜连接的蛋白; (5) 目标
产物分泌到细胞外, 简化了提取和纯化的过程。不过,
酵母用作高产青蒿素平台也有值得注意之处。一是酵
母本身有较高水平的萜类代谢, 因此有必要对其进行
调控以便使代谢流更多地流向FPP的形成, 减少固醇
类的积累(Zeng et al., 2007); 二是酵母糖基化现象
比较普遍, 因此需要应对可能被糖基化的蛋白或目标
产物。
Jackson 等 (2003) 利用酵母表达青蒿的 epi-
cedrol合酶基因(ECS)来生产相应的倍半萜类化合
物。结果发现转基因酵母能将内源的FPP转化成
epi-cedrol。经过优化后, 其产量是大肠杆菌中的6倍。
Lindahl等(2006)比较了青蒿ADS基因以2种不同
的形式在酵母体内表达效果的差异。一方面, ADS基
因通过质粒导入酵母中表达; 另一方面, ADS基因以
同源重组的方式整合到酵母基因组中。结果发现质粒
李星等: 利用异源生物生产青蒿素及其前体的研究进展 575
装载和基因组整合的ADS都成功地表达, 最终产生
的紫穗槐二烯的含量分别是600和100 mg·L–1。这种
差异似乎跟外源基因在酵母中的表达量有关, 因为整
合到基因组中的外源ADS表达强度并不如由质粒转
化的高。
Keasling实验室在利用酵母作为平台生产青蒿
素前体方面具有突出贡献。该实验室Ro等(2006)通过
多个外源基因对酵母转化的系统研究及对酵母内源
多个相关基因的遗传操作, 最终得到了高产紫穗槐二
烯和青蒿酸的工程酵母。他们发现, 仅仅转入ADS基
因的酵母中所产生的紫穗槐二烯的含量很低。Lindahl
等(2006)的研究结果也说明了这一点。当进一步转入
HMGR提高FPP的含量后, 紫穗槐二烯的含量提高了
5倍, 这也说明FPP含量的提升能很好地为青蒿素生
物合成“开源”。当他们在此基础上下调固醇类生物
合成的关键酶基因ERG9, 并过表达一个突变的固醇
类代谢的转录因子基因ERG20进一步抑制固醇类代
谢途径后, 紫穗槐二烯含量达到105 mg·L–1。该结果
说明对FPP进行“节流”后能使碳源更多地流向青蒿
素的生物合成途径。在上述工程酵母背景上再整合1
个拷贝HMGR基因到基因组, 同时过表达FPS后, 紫
穗槐二烯含量最终达到153 mg·L–1, 是单转ADS基因
时的30倍以上。以上结果充分说明, 利用酵母平台进
行代谢工程研究和应用是高度可塑的。为了获得青蒿
素的前体青蒿酸, 他们在高产紫穗槐二烯工程酵母中
转入另外2个青蒿来源的基因: CYP71AV1和CPR。最
终结果显示, 培养基和酵母细胞破碎残渣中青蒿醇和
青蒿醛的含量均很低, 而青蒿酸的含量在优化提取条
件后可达到100 mg·L–1。
最近, Westfall等(2012)对Keasling实验室的高
产紫穗槐二烯工程酵母S228C做了进一步改造。他们
将MVA途径中所有的酶都整合到该工程菌体内, 结
果显示青蒿酸的含量较之前增加了2倍, 而且紫穗槐
二烯的含量竟高达青蒿酸含量的10倍, 优化发酵体
系后紫穗槐二烯产量可大于40 g·L–1。这为后续通过
化学方法合成青蒿素的前体二氢青蒿酸提供了十分
便利的资源。以上结果均充分证实了利用工程酵母高
效生产青蒿素前体的可能性。
在DBR2基因被分离后, Zhang等(2008)将FPS、
ADS、CYP71AV1、CPR以及DBR2基因一并转入酵
母中, 并在工程酵母中检测到二氢青蒿酸的形成。他
们还发现DBR2基因在植物体内过表达会使青蒿酸含
量下降而二氢青蒿酸含量增加。这也暗示了DBR2基
因过表达后, 可以通过竞争青蒿醛来削弱从青蒿酸到
青蒿素这一分支途径, 从而增强了从二氢青蒿酸到青
蒿素的分支途径。
从上述研究结果可以看出, 随着对青蒿素生物合
成途径研究的不断深入, 利用酵母作为平台直接大规
模生产青蒿素是极具发展前景的。
2.3 烟草
烟草很早就被用作异源宿主来表达和研究一些有重
要价值的核蛋白和叶绿体蛋白, 同时也是进行瞬时表
达的重要材料(Tremblay et al., 2010)。烟草叶片生物
量大, 遗传转化相对成熟, 因此也很适合用作生物反
应器生产有药用价值的化合物。
Wallaart等(2001)从青蒿中分离得到ADS后就将
其转入烟草, 并在转基因烟草中检测到了少量的紫穗
槐二烯。Wu等(2006)研究发现, 当在烟草中过表达定
位在质体的FPS和ADS时, 紫穗槐二烯的产量比转入
定位在胞质溶胶的FPS和ADS时更高。Van Herpen
等(2010)最近以烟草为平台进行了高效生产青蒿素
前体的相关研究。他们构建了包含一段线粒体导肽的
ADS、FPS和一个经改造的HMGR基因的载体, 并利
用农杆菌介导的转化体系将其稳定转入烟草, 结果显
示在烟草中检测到紫穗槐二烯。此后, 他们将该载体
与另一个含CYP71AV1基因的植物表达载体共转化
烟草, 经检测发现紫穗槐二烯含量较之前剧烈下降,
但通过GC-MS却无法检测到青蒿酸等一系列紫穗槐
二烯的氧化产物。进一步通过LC-QTOF-MS分析后发
现, 青蒿酸在烟草体内已被糖基化形成青蒿酸-12-β-
二葡萄糖苷, 后者含量达到39.5 mg·kg–1FW。
Zhang等(2011)同样利用烟草作为平台合成青蒿
素前体。与之前有所区别的是, 他们转入烟草的是含
有质体导肽的FPS和ADS, 同时还有针对性地转入了
目前已知的其它青蒿素生物合成特异的基因, 包括
CYP71AV1、DBR2和ALDH1等。他们发现 , 与
Herpen等 (2010)结果不同的是 , 当过表达ADS和
CYP71AV1时, 烟草中除积累紫穗槐二烯外, 还积累
青蒿醇而并非之前报道的青蒿酸; 若在此基础上再过
表达DBR2时, 积累的产物也主要是二氢青蒿醇而非
二氢青蒿酸。他们推测, 转基因烟草的细胞微环境似
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乎更加有利于醇的形成而并不利于将其氧化为酸的
形式。
Farhi等(2011)将青蒿素生物合成途径的5个基
因, 即一个截短但功能正常的tHMGR、ADS(包括不
含线粒体定位导肽的ADS和含有线粒体定位导肽的
mtADS两种形式)、CPY71AV1、CPR和DBR2, 分别
置于不同的启动子和终止子控制下并构建在同一个
载体上, 将这个载体转入烟草后发现在转基因烟草中
能检测到青蒿素的形成, 在4株转化载体上含ADS的
转基因烟草中的青蒿素含量分别为0.75、0.88、0.94
和0.48 mg·g–1DW; 而另外4株转化载体上含mtADS
的转基因烟草中的青蒿素含量分别为5.0、5.9、6.3
和6.8 mg·g–1DW(Farhi et al., 2011)。该研究首次报
道了基于烟草这种生物反应器能够完全获得青蒿素
而并非其前体。尽管转基因烟草中的青蒿素含量还远
低于青蒿植株中的含量, 但既然在烟草中异源合成青
蒿素有了从无到有的质变, 相信通过进一步的优化将
会使这一产量不断提升。同时, Farhi等(2011)的研究
也为许多有特殊药用价值的化合物在烟草中的组合
生物合成展示了良好的前景。
3 问题与展望
青蒿素因其特有的药用价值在国际市场上供不应求。
过去青蒿素来源仅限于产量极低的野生青蒿, 虽然通
过引种栽培和一些优化手段使其产量得以提高, 但提
高幅度有限。近年来, 国内外以青蒿或青蒿素为研究
对象的科研人员通过各种手段方法不断揭示青蒿素
合成途径和高产的障碍所在, 至今已经取得了很多的
成果, 尤其是利用异源生物平台已可以高效生产青蒿
素的前体甚至是青蒿素本身, 这对于降低青蒿素生产
成本的作用是不言而喻的。然而, 利用微生物平台真
正高效而直接地生产青蒿素仍然未能实现, 还需再迈
进这关键的一步。这也决定了此类新策略目前尚不能
完全取代依靠大规模田间种植青蒿直接获取青蒿素
的传统方法。要实现高效、经济地生产青蒿素, 还需
要解决以下几个方面的问题。
首先, 青蒿素生物合成过程中的相关基因仍有挖
掘的空间。例如, 早期通过叶片蛋白粗提物体外实验
发现, 从青蒿酸到青蒿素B进而到青蒿素的转化过程
应该是一个或数个酶促反应过程, 而具体催化这一
(些)转化过程的酶及其基因至今尚未见报道。另外,
是否还有一些对青蒿素生物合成起负调控或是竞争
其前体的蛋白也尚待研究。如果可以挖掘到更多的对
青蒿素产量有负面影响的基因, 那么就可以考虑利用
分子生物学手段对这些负调控因子进行调控。
其次, 青蒿素生物合成途径的主次关系尚待确
定。青蒿醛可以被视作是走“青蒿酸支路”还是“二
氢青蒿酸支路”的一个分水岭, 而这2条支路的主次
关系也存在争议, 至少目前还没有定论。或许其它重
要新基因的分离与克隆可以为这种主次关系的确定
提供进一步的直接证据。
第三, 有待进一步利用转录因子。许多参与次生
代谢途径的转录因子已相继被发现。Jackson等
(2003)发现在转入ECS基因的酵母中转入一个转录
因子基因upc2-1后, epi-cedrol的产量是单转ECS基
因的4倍以上。Ro等(2006)也通过调控该转录因子来
提高工程酵母中青蒿酸的产量。青蒿素合成途径特异
的转录因子也已有报道(Ma et al., 2009)。最近, Yu等
(2012)发现青蒿转录因子基因AaEFR1或AaEFR2的
过表达能增强青蒿素生物合成关键酶基因ADS和
CYP71AV1的表达, 从而促进青蒿素和青蒿酸的合
成; 而通过RNAi抑制AaEFR1或AaEFR2的表达, 则
使青蒿素和青蒿酸的合成量减少。可以看出, 通过调
控转录因子活性来调控次生代谢途径是有效和可
行的。
此外, 对异源生物反应器可进一步优化。在异源
生物(尤其是微生物)体内重新构建一条代谢通路所要
考虑的因素很多, 包括外源基因的正确有效表达、选
择合适的表达载体和表达系统等(Zeng et al., 2007)。
外源基因对寄主细胞的影响也不可忽视, 包括过量表
达外源基因对寄主的生长和繁殖是否有影响, 是否会
妨碍宿主正常的代谢机制, 以及如何消除一些有毒害
的中间化合物的影响等。
总之, 利用异源平台生产青蒿素前体已被逐渐证
实是一种极具潜力的方案。当然这种方案目前并不十
分成熟, 还需要不断地探索和优化, 并且利用该平台
直接生产青蒿素更是尚未实现。但是, 随着青蒿素生
物合成的功能基因组学和代谢组学研究的不断深入,
各种数据库的不断丰富, 更多的参与该代谢过程的酶
蛋白和调控因子及其相互作用关系将会逐渐被挖掘、
认识和应用, 相信利用各种手段相互组合将能够实现
李星等: 利用异源生物生产青蒿素及其前体的研究进展 577
青蒿素的高效经济生产。
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An Overview of Heterologous Organisms Used to Produce
Artemisinin and Its Precursors
Xing Li1, He Hao1, Jianting Chi1, Hong Wang1*, Hechun Ye2
1College of Life Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2Institute of Botany,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China
Abstract Artemisinin, a sesquiterpene endoperoxide lactone extracted from the traditional Chinese herb Artemisia
annua, is an effective drug against the malaria parasite Plasmodium falciparum and has many positive effects on human
health. We explored the possibility of producing artemisinin and its precursors by heterologous systems including
Escherichia coli, Sacchromyces cerevisiae and tobacco. We also discuss recent progress in the artemisinin biosynthetic
pathway and new genes and enzymes involved in artemisinin biosynthesis.
Key words artemisinin, biosynthetic pathway, Escherichia coli, Plasmodium falciparum, Sacchromyces cerevisiae,
tobacco
Li X, Hao H, Chi JT, Wang H, Ye HC (2012). An overview of heterologous organisms used to produce artemisinin and its
precursors. Chin Bull Bot 47, 571–580.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: hwang@ucas.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)
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