丹参酮类化合物中下游生物合成途径研究

丹参酮类化合物是中药丹参主要有效成分，其生物合成途径特别是中下游途径目前还不清晰。前期通过对丹参SmCPS、SmKSL关键酶的研究，将丹参酮生成途径延伸至次丹参酮二烯。为了深入发掘中下游相关基因及其生物合成途径，本研究拟通过构建次丹参酮二烯工程菌株，获得大量前体物质；同时克隆可能与丹参酮合成相关的基因，进行功能分析并在酵母菌株中高表达。在此基础上，优化相关蛋白的表达水平，检测代谢物的变化，确定相关酶的功能；并通过构建不同基因组合的表达顺序，研究相关酶催化步骤，阐明丹参酮中下游生物合成途径及其机理。本项目将揭示丹参酮类化合物中下游生物合成机理及其异源生物合成的代谢调控规律，对调控丹参酮的生物合成及增加产量具有重要科学指导意义，并可得到一系列产生丹参酮类化合物的基因工程菌株。项目成果将为中药有效成分的生物合成途径研究提供新方法和策略，为提高有效成份产量、实现中药现代化提供科学依据和新技术。

本课题在国家自然科学基金的资助下顺利完成了预期任务，并取得了创新性研究成果。发表学术论文12篇，其中在PNAS（IF 9.737）和J. Am. Chem. Soc.（IF 10.677）、BMC Genomic （IF 4.40）、Biotechnology and Bioengineering（IF 3.648）等高水平刊物上发表SCI学术论文6篇；申请发明专利3项；培养博士后1名，博士研究生1名、硕士研究生2名，在读硕士研究生1名。首先通过合成生物学方法构建了次丹参酮二烯酵母工程菌，实现了在微生物体内大量生产药用植物天然产物中间体，为下游功能基因的研究提供了大量的前体化合物，该研究成果分别于2012年发表在J. Am. Chem. Soc.和Biotechnology and Bioengineering上，引起了国内外的广泛关注。在此基础上，克隆鉴定丹参酮下游P450基因CYP76AH1，催化次丹参酮二烯形成铁锈醇；并构建了生产铁锈醇的高产酵母工程菌株，该研究成果已于2013年发表于美国科学院院刊PNAS上，得到了同行专家的高度评价。同时该项目为了获取候选基因进行了丹参比较转录组学研究和其他的相关基因功能研究，研究成果分别发表在BMC Genomic、Biotechnology Letters和《药学学报》上。本项目进一步解析了丹参酮生物合成中下游途径；并采用合成生物学策略，引入天然产物生物合成途径创建微生物“细胞工厂”，有望为植物源萜类化合物低成本、可持续获取提供先进技术和新途径，对药用植物活性成分的生物合成及合成生物学研究具有重要指导意义。