第五組利用基因工程酵母生產抗瘧疾藥物前體-青蒿酸

1、2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*1第五組：利用基因工程酵母生產抗瘧疾藥物前體-青蒿酸2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*2選用這篇文章的原因：符合微生物發(fā)酵的主題，且綜合分子生物學、微生物學、細胞生物學等學科大部分為我們所學的知識：生化中的甲羥戊酸途徑；分子生物學實驗手段等等實驗思路簡單明了，充分體現(xiàn)對知識的靈活運用實驗結果影響深刻，將會對瘧疾治療帶來一場革命2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*3一、瘧疾俗稱“打擺子”，是一種由瘧原蟲（瘧原蟲屬，Plasmodium spp.是一類單細胞真核生物，屬于細胞內寄生蟲）造成的，通過瘧蚊傳播的全球性急性寄生蟲傳染病。 2021/

2、9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*4瘧原蟲的生命周期很復雜。通過蚊子叮咬進入宿主體內後首先侵入肝臟細胞，再由肝臟進入血液感染紅血球，在紅血球內無性繁殖擴增之後，受外部環(huán)境因素的影響，它們可以繼續(xù)感染新的紅血球，也可能形成配子體（gametocyte），當蚊子吸取受感染的血液後，雄、雌配子體進入蚊子胃內發(fā)育成配子并進行有性生殖，合子最終在胃壁下形成卵囊（oocyte）。卵囊中瘧原蟲進行無性繁殖，最終形成孢子體（sporozoite）進入蚊子唾液腺，準備感染新的脊椎動物宿主。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*5 瘧疾在年發(fā)病率不超過十萬分之三的中國可能并不為人們關注，但是在非洲，平均每30秒

3、就有一名兒童死于瘧疾。 世界范圍內，僅是呈現(xiàn)臨床癥狀的患者病例每年就在3億到5億之間，而每年因患瘧疾而死亡的人數(shù)則則在一到三百萬之間, 這其中大部分為兒童。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*6 由于傳播瘧疾的惡性瘧原蟲（Plasmodiumfalciparum）具有復雜的生命周期，因而很難根除這種疾病，治療是唯一的選擇。而抗藥瘧原蟲突變系Plasmodium falciparum2,3的出現(xiàn)更嚴重阻礙了對這種疾病的控制。 而青蒿素，一種由我國學者在20世紀70年代初從Artemisia annua L（菊科植物，俗稱青蒿）中提煉出來的倍半萜內酯環(huán)內過氧化物（C-15倍半萜），通過釋放高

4、劑量的自由基殺死隱藏于紅細胞中的惡性瘧原蟲。是目前世界上最有效的治療腦型瘧疾和抗氯喹惡性瘧疾的藥物，被世界衛(wèi)生組織稱為“治療瘧疾的最大希望”。二、青蒿素2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*7 人工合成青蒿素由于其工藝復雜、毒副作用大、成本高而不能投入生產。世界上青蒿素藥物的生產主要依靠我國從野生和栽培青蒿中直接提取。但是青蒿中青蒿素的含量很低(0.1%-1%w/w),且受地域性種植影響較大。目前使用青蒿素進行治療每個療程的費用是美元到美元，對于受瘧疾危害最深的非洲和南美地區(qū)的貧困患者來說過于昂貴。 2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*8 基于這些因素，科學家們開始嘗試利用基因工程手

5、段通過微生物去合成這種物質。這項工作被專門列為“青蒿素計劃”，由美國加利福尼亞大學伯克利分校的生化工程師JayKeasling 主持，并且起初就獲得“比爾-梅琳達蓋茨基金會”4260萬美元的資助。 2006年，Keasling等宣布，通過合成生物學技術對一株酵母菌成功進行遺傳工程改造，使得后者可以產生高水平的青蒿酸（artemisinicacid）青蒿素的一種直接的前體。 該成果發(fā)表于2006年4月13日英國自然雜志上，題為“Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast”三、

6、基因工程合成青蒿酸2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*9但是酵母的生長代謝速率較青蒿要高出不知道多少倍，而且其培養(yǎng)條件容易控制，不受氣候、政治等因素的影響。因此，如果能用酵母生產青蒿酸，那將是非常高產、高效的。真核糖酵解甲羥戊酸途徑真核糖酵解甲羥戊酸途徑酵母與青蒿相比：2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*10研究人員已經(jīng)探明青蒿素是通過以下途徑在青蒿細胞內合成的：焦磷酸法呢酯（FPP）Amorphadiene （合成青蒿酸及青蒿素的最直接的前體原料 ）青蒿酸青蒿素2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*11 由于酵母也可以合成FPP，所以我們所需要做的只是將FPP到Amorpha

7、diene再到青蒿酸這兩個過程克隆進入酵母細胞內，并對細胞內的其他與之相關的基因進行調控，使之能正常并且大量合成青蒿酸。 2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*12為了將流程圖轉為現(xiàn)實，我們對酵母細胞進行了總共8次的基因工程改造。四 具體流程2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*13 第一步，為了能讓酵母細胞合成Amorphadiene，我們將ADS基因插入由GAL1 啟動子控制轉錄的pRS425質粒中，然后在酵母細胞中表達，結果顯示單獨轉入ADS基因的酵母只合成少量的amorphadiene。如圖中菌株EPY201，4.4mg/L 。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*14 而

8、細胞中與amorphadiene 的量最直接相關的就是FPP的量，所以，為了提高啤酒酵母合成amorphadiene的能力，我們對FPP合成途徑（甲羥戊酸合成途徑）進行了總共5次的基因工程改造。 幾個與FPP合成相關的基因的表達被正調控，而另外幾個促使FPP轉變成固醇的基因被負調控。同時為了保證宿主菌株的遺傳穩(wěn)定性，所有這些對宿主細胞進行的修飾都是通過染色體融合進行的 。具體過程如下：2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*15首先，將一種截短的水溶性酶3-羥基-3-甲基-戊二酰輔酶A還原酶（我們所學生化書中為譯為-羥基-甲基-戊二酰輔酶A還原酶，簡稱HMGCoA還原酶，又簡稱tHMGR，是

9、固醇合成的限速酶）過表達，可提高amorphadiene的合成產量近五倍（菌株 EPY208）； 2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*16其次，利用一個methioninerepressible啟動子 (PMET3) ，通過對編碼鯊稀合酶（固醇生物合成途徑中FPP合成后第一步）的ERG9基因進行負調控，可將amor phadiene的合成量再增加兩倍（菌株EPY225）； 2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*17然后，盡管upc2-1,一個可以加強UPC（啤酒酵母中調節(jié)固醇合成的一個的通用轉錄因子）活性的半顯性突變體等位基因，在已有菌株 EPY208背景下過表達（菌株EPY210）

10、對amorphadiene合成的提高起的作用并不顯著，但結合對ERG9基因的負調控，其過表達可將amorphadiene的合成量提高到105mg/L（菌株EPY213）； 2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*18再次，在酵母染色體更遠處在轉進一個tHMGR拷貝可以將將其合成量再增加50%達到149mg/L（菌株 EPY 219） ；2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*19最后，雖然編碼FPP合酶的基因（ERG20）過表達對amorphadiene合成總量（菌株 EPY224）的提高效果非常小，但在細胞密度降低的情況下其合成量卻可增加10%。將所有這些對基因的修飾綜合在菌株EPY22

11、4上，amorphadiene的合成量已經(jīng)達到了153mg/L , 是之前所報道這種倍半萜(烯)最大合成水平的幾乎500倍。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*20 現(xiàn)在我們已經(jīng)得到了可以高效合成amorphadiene的酵母菌株，但為能將amor phadiene轉變成青蒿酸，我們還需要找到并分離出青蒿中編碼催化amorphadiene轉變成青蒿酸的酶的基因。 青蒿素是一種倍半萜內酯衍生物，這些衍生物在菊科植物中普遍存在，是一類十分有特性的細胞次級代謝產物。我們假定菊科植物在半倍半萜內酯的合成的前幾步中利用的是源于同一祖先的合成酶，據(jù)此對菊科植物進行了一次基因組比較分析。 2021/9

12、/13微生物發(fā)酵工程案例教學*21進行基因組比較分析之前，我們先接觸兩個概念：1、細胞色素P450酶 細胞色素P450同工酶是血紅蛋白超級家族，它是內質網(wǎng)膜上混合功能氧化酶系統(tǒng)的末端氧化酶。每個細胞色素P450同工酶由一個蛋白質及一個血紅素基彌補部分組成。細胞色素P450酶系統(tǒng)催可催化很多反應，包括環(huán)氧化反應，N-去烷基化，O-去烷基化，S-氧化及脂肪族和芳香族殘基的羥化反應。和所有的酶一樣，細胞色素P450同工酶呈飽和Michaelos-Meuten動力學，其活性需要輔助因子，并可被誘導或抑制。 系統(tǒng)命名：比如，CYP2家族有幾個亞家族，諸如CYP2C、CYP2D、CYP2E。數(shù)字代表不同的

13、酶，如CYP2D6，基因同樣用CYP2D6表示。不論其來源或催化活性為何，這種命名法的優(yōu)點是很易識別結構一致或高度相似的細胞色素P450酶。 （CYP71AV1）2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*222、已表達序列標志（EST）EST是從一個隨機選擇的cDNA 克隆進行5端和3端單一次測序獲得的短的cDNA 部分序列,代表一個完整基因的一小部分, EST 來源于一定環(huán)境下一個組織總mRNA 所構建的cDNA 文庫。EST標記在親緣關系較遠的物種間比較基因組連鎖圖和比較質量性狀信息是特別有用。EST是在隨機選擇并經(jīng)序列分析后分離得到的和（或）進行了特性鑒定的核酸，當確定EST片段的序列時

14、尚不知道由之編碼的蛋白質的功能。鑒定EST分子：首先確定部分序列信息并將其儲存在數(shù)據(jù)庫中；然后用該序列信息作為探針與數(shù)據(jù)庫中的已知序列數(shù)據(jù)進行比較。在有些情況下，經(jīng)過這種同源性檢索可以在核苷酸序列水平上揭示出與編碼已知功能蛋白質的另一種核酸相關的特定EST序列。最后，選擇這樣的EST分子并進一步分析之。 2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*23進行基因組比較分析的已知條件：知道是一種特異的細胞色素P450酶對amorphadiene進行專一性羥化（先前已經(jīng)有文章報道），但其基因未知，我們目的就是要找到其編碼基因假定菊科植物在半倍萜內酯的合成的前幾步中利用的是源于同一祖先的合成酶知道菊科植

15、物的已表達序列標志（EST）數(shù)據(jù)庫（由向日葵和萵苣這兩種菊科作物提供的基因數(shù)據(jù)構建，從中檢索得到細胞色素P450已表達序列標志（ESTs)擁有針對CYP71和CYP82家族（P450酶在菊科植物中最多的兩個家族，其序列已知）高度特異的簡并引物那么怎么通過對已知條件的運用才可以得到青蒿中這種特異的細胞色素P450基因呢？2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*24步驟如下：高度特異的簡并引物青蒿毛狀體細胞的互補DNA庫PCR、凝膠電泳回收等幾個特定的p450片段一個青蒿P450基因片段與之對應的mRNA完整P450cDNA（CYP71AV1） RT -PCR 轉錄BLAST分析法將這些片段與向

16、日葵和萵苣的EST比對，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)有一個青蒿P450基因片段與來自以上兩種植物的未知功能ESTs序列非常相似2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*25經(jīng)過BLAST分析篩選出的那個青蒿P450基因片段與來自以上兩種植物的未知功能ESTs序列非常相似（氨基酸水平上達相似度達85-88%），而同其他非菊科植物的P450序列相似度較低（氨基酸水平上小于50%）。這表明相對于非菊科植物，P450基因在這三個親緣關系較遠的菊科植物屬中是高度保守的。隨后相應的完整P450cDNA（CYP71AV1），一個編碼495個氨基酸的開放閱讀框，成功從青蒿中分離獲得。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學

17、*26 為了保證異源表達的CYP71AV1可以發(fā)揮正常功能，協(xié)同它進行氧化還原反應的天然配體，NADPH：細胞色素P450氧化還原酶（CPR），同樣從青蒿中成功分離，并且其生化活性已經(jīng)在體外被證實。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*27 1、體內表達GC-MS檢測：在配體分子CPR的參與下，我們分別在活細胞體內和體外研究了CYP71AV1是否可以催化amorpha diene轉變?yōu)槎嗉壯趸a物。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*28分析結果顯示：幾乎95%的這種特異化合物是來源于細胞體的。而且這種化合物的電子碰撞質譜和保留時間與從青蒿中提取的青蒿酸的完全吻合。2021/9/13

18、微生物發(fā)酵工程案例教學*29在搖瓶培養(yǎng)條件下，同時表達CYP71AV1 和CPR的EPY224菌株青蒿酸產量為32 13 mg/L (平均數(shù) 標準差, n7)。更為重要的是，其中間代謝產物，青蒿醇和青蒿醛在細胞體和培養(yǎng)基中被檢測到的量幾乎可以忽略（青蒿醇的量比青蒿素酸的5%還少，并且根本沒有青蒿醛被檢測出）。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*30從啤酒酵母菌株YPH499中分離微體，這些微體僅表達CPR（對照組）或者同時表達CPR和CYP71AV1。將微體在不同的合成途徑中間體（amorphadiene，青蒿醇，青蒿醛）條件下進行培養(yǎng)。2、體外酶法檢測：2021/9/13微生物發(fā)酵工程

19、案例教學*31a-c每一種酶的測定分別加入（a）10M amorphadiene，（b）25M 青蒿醇（c）25M 青蒿醛。底物的色譜峰用星號標出。醚提取物經(jīng)過衍生，并用GC-MS在不同的粒子模式下分析（mlz：121，189，204，218，220和248）。酶反應的產物按照預期得到：1，青蒿醇（保留時間13.20分鐘）；2，青蒿醛（保留時間11.79分鐘）；3，青蒿酸（保留時間13.58分鐘，甲酯化后檢測）2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*32雖然先前已經(jīng)有報道，使用青蒿蛋白提取物的體外酶法測定證明可溶性的醇醛脫氫酶和一種C11，13雙鍵還原酶（作用于醛）參與青蒿素的生物合成 。我

20、們不排除在青蒿中存在其他的醇醛脫氫酶參與的催化反應，但是體外實驗中重組的CYP71AV1將amorpha-4, 11-diene高效轉化為青蒿酸，完全顯示出膜結合、多功能的CYP71AV1是青蒿素的生物合成中的關鍵促成因素。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*33我們證實，通過用堿性緩沖液（pH為9的Tris-HCL緩沖液中添加1.2M的山梨醇）清洗胞體沉淀物，絕大部分合成的青蒿酸（96%）可以而被分離出，而且沖洗之后細胞體和培養(yǎng)基中的殘留量僅為2%。青蒿酸不僅可以被高效的轉移到細胞外，且在酸性條件下經(jīng)過質子化后會被束縛在細胞表面。 五、提純2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*34

21、利用這個特點制定了一種便捷提純方法：混合培養(yǎng)物細胞體沉淀物堿性清洗緩沖液凝膠柱層析純度大于95%的青蒿酸HCL調pH醚抽提抽提產物2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*35在一個一升發(fā)酵罐中，青蒿酸的產量為115mg，而通這種方法的，我們可以得到76mg的提純產物。最重要的是，經(jīng) 1H and13C原子核磁共振檢測顯示，這種酵母合成青蒿酸與從青蒿中直接提取的青蒿酸分子結構完全一樣。因此，可以確定我們所得到的這株轉基因酵母能夠直接合成結構功能上完全正確的青蒿酸。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*36轉基因酵母在生產青蒿酸時需要的生物量與青蒿相比： 青蒿素（酸）含量胞體干重4.5%地上

22、部分干重0.16%培養(yǎng)時間 4-5天 數(shù)月提純方法簡單 復雜總之，轉基因酵母菌珠的單位生產效率比青蒿高了近兩個數(shù)量級。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*37總的來說，我們采用改造FPP生物合成途徑的方法獲得了能高水平生產青蒿酸的啤酒酵母菌株。該方法通過表達amorphadiene合成酶，一種新型的細胞色素P450和與之相關的來自青蒿的氧化還原酶來提高FPP的產量。據(jù)了解，相關轉化青蒿酸到青蒿素或其他派生物的化學方法可能還有許多待改進之處，但微生物法生產青蒿酸是獲得此類高效抗瘧疾藥物切實可行的方法。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*38六、實驗方法：、化學和植物材料：青蒿酸標準品

23、購買于Apin Chemicals公司或者直接用己烷從青蒿葉片萃取。青蒿植株被栽培在加州大學伯克利分校的溫室當中，并且都是從種子開始培育的。2、GCMS法分析Amorphadiene：用GCMS對不同株系的啤酒酵母的Amorphadiene合成量進行測定，使用十二烷阻止Amorphadiene的揮發(fā)。為了定量衡量Amorphadiene產量水平，用于測定標準曲線的Amorphadiene（90%純）是通過大腸桿菌菌株發(fā)酵制備的。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*393、青蒿酸的胞內發(fā)酵，純化及化學分析：將經(jīng)過預培養(yǎng)的在600nm（A600）下吸光度達到0.05的EPY224菌株（已經(jīng)被

24、轉入pESCURA:CPR 或者 pESCURA:CPR/CYP71AV1）接種到25ml合成培養(yǎng)基中。該培養(yǎng)基不含組氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸和尿嘧啶，但是添加有0.2%的葡萄糖、1.8%的半乳糖以及1mMol定量的甲硫氨酸。300C下恒溫培養(yǎng)120小時，然后將培養(yǎng)混合物進行離心，留下細胞體。再用50mM Tris-HCl緩沖液（pH 9.0）沖洗細胞體，加入2M的HCl將緩沖液的pH調至2.0，用混入4-烷基苯甲酸（10ug/ml）的乙酸乙酯進行萃取。萃取餾分經(jīng)50ul 2M的四甲基硅烷-重氮甲烷和10%的甲醇衍生。在進行GC-MS分析前，產物還要經(jīng)過以（1：1）的醚和戊烷為洗脫劑的凝膠色譜提

25、純。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*40 最后，提純的產物經(jīng)氣相色譜質譜儀（70eV，Agilent Technologies）分析，毛細管柱為DB5（0.25毫米內徑 0.2530m，J&W Scientific）。氣相色譜的加熱程序從80（保持2分鐘），以每分鐘20的梯度遞增到140。產品分離時由5/min的速度增加到220。采用火焰電離色譜檢測標準品時為了定量，沒有使用相同的氣相加熱程序對柱子進行凈化。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*414、發(fā)酵及產物的核磁共振分析:使用1升的生物反應器（New-Brunswick Scientific），在30的條件下，培養(yǎng)酵母菌93個小時。2%的半乳糖的誘導酵母細胞，600nm下測OD值為1.7，最終的細胞濃度OD值A600達到5.0。攪拌速度從100rmp變到500rmp，每分鐘通氧0.5L，使得溶氧量始終保持在40%，青蒿酸使用堿洗的方法從細胞沉淀物中提取出來，再使用含有78%的己烷，20%的乙酸乙酯和2%的乙酸的硅膠管柱提純。分離得到的青蒿酸（純度大于95%）的結構采用College of Chemistry NMR Facility at the University of California提供的1H和13C NMR500MHz核磁共振儀進行分析。2021/9/13微生物發(fā)酵工程案例教學*425