转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展

植物学通报 Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (5): 659−666,
.专题介绍.
转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展
石娟, 朱葆华, 潘克厚 *
中国海洋大学海水养殖教育部重点实验室, 青岛 266003
摘要
超长链多不饱和脂肪酸(VLCPUFAs)对人类健康非常重要。日常摄入一定量的VLCPUFAs能够补充人体自身合成的
不足, 并对某些疾病起到明显的预防和治疗作用。VLCPUFAs主要源自深海鱼油, 但由于市场需求的迅速增长和海洋可捕捞 鱼类资源的日益减少, 该途径已经远远不能满足市场的需要, 寻找更为持续且稳定的VLCPUFAs来源已经成为当务之急。最 近, 人们已经克隆了VLCPUFAs生物合成相关的去饱和酶和延伸酶基因, 并希望在植物特别是油料作物中共表达这些基因, 使 其成为生产VLCPUFAs的 “绿色细胞工厂” 。目前已有多个研究小组在进行转基因植物合成VLCPUFAs的探索, 并取得了突 破性的研究成果。本文综述了相关的研究进展, 并对存在的问题和解决策略进行了探讨。
关键词 DHA, EPA, 转基因植物, 超长链多不饱和脂肪酸
石娟, 朱葆华, 潘克厚 (2007). 转基因植物生产超长链多不饱和脂肪酸研究进展. 植物学通报 24, 659−666.
超长链多不饱和脂肪酸(VLCPUFAs)是指含有 20 或 22个碳原子及4－6个亚甲基间隔的顺式双键的脂肪 酸链(Abbadi et al., 2004), 包括花生四烯酸(AA, 20: 4n6)、 二十碳五烯酸(EPA, 20:5n3)和二十二碳六烯酸 (DHA, 22:6n3)。 多不饱和脂肪酸(PUFAs)可分为n6系 列和 n3 系列。AA 属于 n6 PUFAs; EPA 和 DHA 属于 n3 PUFAs。 研究表明, VLCPUFAs 对人类健康非常重 要。AA 和 EPA 是哺乳动物细胞膜的组分, 也是生成前 列腺素、白三烯和血栓素等激素的前体(Funk, 2001)。 EPA 在凝血、免疫和抗炎症等各种生理反应中起重要 作用(Simopoulos, 2002)。DHA 对胎儿神经系统的形 成至关重要(Uauy et al., 2001), 还影响着视网膜视紫 红质的活性(Giusto et al., 2000), 并与某些疾病如关节 炎、动脉硬化、抑郁症的预防和治疗有关(Horrocks and Yeo, 1999; Marszalek and Lodish, 2005)。 人体合成 EPA 和 DHA 的效率极低, 在日常饮食中
补充足够的 EPA 和 DHA 对维持身体健康极为重要。 目 前该类脂肪酸的主要来源是深海鱼油, 但是鱼类自身并 不能合成 VLCPUFAs, 而是通过摄食富含 VLCPUFAs 的海藻等进行有限的积累; 另外, 过度捕捞使海洋鱼类资 源日益减少, 该途径已经远远不能满足迅速增加的市场 需求。 此外, 由于环境污染等原因导致鱼油中的重金属 含量越来越高, 寻找更为持续、稳定、安全的 EPA 和 DHA来源成为当务之急(Tonon et al., 2002; Domergue et al., 2005a)。已知某些微生物如真菌和海洋微藻能 够从头合成 VLCPUFAs 且含量丰富(Sayanova and Napier, 2004); 然而现已开发出的商业化的海藻油和真 菌油, 由于其产量低和提取成本高限制了这类资源的大 规模应用。 鉴于植物油的提取工艺非常成熟, 许多研究 者已经将目光转向油料作物的代谢工程, 探索如何利用 转基因植物作为 “绿色细胞工厂 ”生产 V LC PU FA s (Truksa et al., 2006)。近年来国外一些研究小组已在
收稿日期: 2006-10-24; 接受日期: 2007-04-09 基金项目: 973 重大基础研究前期研究专项(No. 2005CCA02400) * 通讯作者。E-mail: khpan@ 缩写词: AA: arachidonic acid; ALA: α-linolenic acid; DGLA: dihomo-γ-linolenic acid; DHA: docosapentaenoic acid; EDA: eicosadienoic acid; EPA: eicosapentaenoic acid; ER: endoplasmic reticulum; ETA: eicosatetraenoic acid; GLA: γ-linolenic acid; LA: linoleic acid; LPCAT: lyso-phosphatidycholine acyltransferase; OA: oleic acid; PC: phosphatidycholine; PDAT: phospholipid diacylglycerol acyltransferase; PUFAs: polyunsaturated fatty acids; SDA: stearidonic acid; TAG: triacylglycerol; TPA: tetracosapentaenoic acid; VLCPUFAs: very long-chain polyunsaturated fatty acids

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该领域取得了突破性的成果, 表明转基因植物的确有望 成为稳定且廉价的 EPA 和 DHA 来源。本文介绍了相 关的研究进展, 并对存在的问题和解决策略进行了探 讨。迄今为止, 国内这方面的研究报道较少, 而我国作 为世界上人口最多的国家, 今后必将成为VLCPUFAs的 消费大国; 因此, 转基因油料作物的开发将会具有非常广 阔的市场前景, 希望本文能为相关的研究人员提供有价 值的参考。
Sperling et al., 2003; Sayanova and Napier, 2004)。 VLCPUFAs 合成过程中涉及的去饱和酶和延伸酶 基因均已被克隆鉴定, 研究表明这些酶都位于细胞内质 网(ER)膜上(Huang et al., 2004)。不同来源的去饱和 酶其作用底物有所不同, 动物中的去饱和酶以酰基-CoA 中的脂肪酸为底物, 植物和微生物中的去饱和酶则以磷 脂特别是磷脂酰胆碱(PC)中的脂肪酸为底物(Los and Murata, 1998)。目前发现的长链脂肪酸延伸酶均以酰 基-CoA中的脂肪酸为底物, 该类脂肪酸是由4个酶组成 的延伸复合体, 催化包括缩合、酮酰还原、脱水及烯 酰还原等一系列反应, 其中缩合酶(即延伸酶)决定着底物 专一性(Leonard et al., 2004)。由于植物和微生物中 的去饱和酶和延伸酶作用底物不同, 其VLCPUFAs的合 成比较复杂, 涉及脂肪酸在酰基-CoA库和PC库间的转 移; 相关的酰基转移酶(LPCAT)也起着非常重要的作用 (Domergue et al., 2003)。
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VLCPUFAs合成通路及相关的酶
绝大多数生物是从油酸(OA, 18:1n9)开始合成多不饱和 脂肪酸的, 该过程涉及一系列去饱和及延伸反应。 某些 真菌和海洋微藻具有合成VLCPUFAs的所有去饱和酶 和延伸酶, 能够从头合成 VLCPUFAs。其合成途径主 要为经典的 n6 和 n3 途径, 即由 OA 生成的亚油酸(LA, 18:2n6）和 α- 亚麻酸(ALA, 18:3n3)在 ∆6 去饱和酶作 用下生成γ-亚麻酸(GLA, 18:3n6)和十八碳四烯酸(SDA, 18:4n3), 然后经 ∆6 延伸和 ∆5 去饱和生成 AA 和 EPA, EPA 又可经 ∆5 延伸和 ∆4 去饱和生成 DHA(图 1A)。在 这个过程中, n6 脂肪酸可在 ∆15 和 ∆17 去饱和酶(这类 去饱和酶又称为ω3去饱和酶)作用下生成n3脂肪酸。 在 某些微藻如等鞭金藻中, C20-VLCPUFAs的合成还存在 一条“替代通路” 即 LA 先经 ∆9 延伸酶延伸生成二十 , 碳二烯酸(EDA, 20:2n6), 然后在∆8去饱和酶作用下生 成二均-γ-亚麻酸(DGLA, 20:3n6), 进而∆5去饱和为AA (图 1A)。 哺乳动物体内缺乏 ∆12(ω6)和 ∆15(ω3)去饱和 酶, 不能生成 LA 和 ALA, 必须从食物中补充; 哺乳动物 可将外源 LA 和 ALA 经 n6 和 n3 途径转化为 AA 和 EPA。 其 DHA 的合成较为复杂, 首先 EPA 通过 2 次连续的延 伸反应生成二十四碳五烯酸(TPA, 24:5n3), 然后经∆6 去饱和及一轮发生于过氧化物酶体的β-氧化生成DHA (Qiu, 2003) (图 1A)。高等植物(包括油料作物)一般只 能合成油酸和亚油酸, 不能继续合成长链的多不饱和脂 肪酸; 要想在植物中合成VLCPUFAs, 必须转入相关的 去饱和酶和延伸酶基因。关于不同生物合成 VLCPUFAs的详细描述参见文献(Napier et al., 2003;
2 转基因植物中VLCPUFAs的合成
2.1 “ 替代通路” 的构建和C20-VLCPUFAs的生成
Qi等(2004)将等鞭金藻的C18∆9延伸酶、 眼虫的∆8去 饱和酶和高山被孢霉的∆5去饱和酶基因转入模式植物 拟南芥中, 构建了合成 VLCPUFAs 的“替代通路” 成 , 功实现了 C20-VLCPUFAs 的合成。他们(Qi et al., 2004)之所以没有构建经典途径是因为拟南芥酰基-CoA 库中 LA-CoA 和 ALA-CoA 含量较高, 可以被 C18∆9 延 伸酶直接利用, 减少了脂肪酸在PC库和CoA库之间的 转移,有利于 VLCPUFAs 合成的起始。转基因拟南芥 叶片的脂质分析结果显示, 新生成的 C20-VLCPUFAs 占总脂肪酸的 18.8%, 其中 AA 和 EPA 的含量分别为 6. 6% 和 3.0%(表 1)。除此之外还检测到了一些由 ∆5 去 饱和酶催化生成的副产物, 包括 20:3∆5,11,12 和 20: 4∆5,11,14,17, 说明转入的∆5去饱和酶的底物专一性不 强。虽然有研究表明, 这些脂肪酸可能对人体有益 (Nakane et al., 2000), 但是其具体作用并不明确。尽 管如此, 该小组在本领域取得了突破性成果, 首次证明了 高等植物通过转基因合成 VLCPUFAs 是可行的。