中心碳代谢途径（Central Carbon Metabolism，CCM），包括糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径，是生物体维持正常生长最基本的代谢过程，能够为细胞提供能量，并为其他代谢途径提供前体物质和辅酶（NADPH等）。得益于CCM在细胞整体代谢通量中的复杂调节作用，对CCM的优化成为改善高价值天然产物在微生物细胞底盘中生物合成的一种极具吸引力和挑战性的策略。
2023年10月26日，广州中医药大学药用植物生理生态研究所王宏斌/靳红磊团队与滨州医学院安天悦博士合作在Advanced Biotechnology在线发表了题为“Optimization of central carbon metabolism by Warburg effect of human cancer cell improves triterpenes biosynthesis in yeast”的研究论文，该研究展现了肿瘤细胞的“瓦博格效应”在重排酿酒酵母中心碳代谢途径，进而促进菌株中三萜类化合物生物合成的应用潜力。
正常动物细胞在摄入葡萄糖后，在有氧条件下，葡萄糖经糖酵解产生丙酮酸进入线粒体，通过三羧酸循环产生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），NADH再经氧化磷酸化途径为细胞供能；在缺氧条件下，三羧酸循环和氧化磷酸化被抑制，细胞主要通过糖酵解途径供能。然而肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下，仍然以糖酵解为主要的供能方式，这种有氧糖酵解的代谢特征被称为“瓦博格效应”。该效应能够抑制丙酮酸进入线粒体进行氧化磷酸化，并促进丙酮酸在细胞质中降解为乳酸（Heiden et al，2009）。缺氧诱导因子-1（HIF-1）复合物是一种由HIF-1α和ARNT（HIF-1β）组成的转录因子，可在多种类型的癌症细胞中介导和诱导“Warburg效应”（Wu et al.2021）。先前的报道表明，人HIF-1复合物可以在酵母细胞中表达，并在该异源宿主中发挥类似的转录活性（Braliou et al，2006）。因此，作者推断HIF-1复合物可以在酵母细胞中诱发“瓦博格效应”，促使丙酮酸在细胞质中的积累，而由于酵母细胞中没有乳酸脱氢酶，细胞质中富集的丙酮酸将通过胞质中的丙酮酸脱氢酶旁路生成乙酰辅酶A，进而促进乙酰辅酶A源化合物的生物合成。
研究团队通过将HIF-1复合体整合到酿酒酵母的基因组中，诱发了酵母中CCM的“Warburg效应”样代谢重编程，编码糖酵解中多数酶的基因表达水平上调，例如HXK1、FBA1、TDH1、TDH2和CDC19等，而编码三羧酸循环中大多数酶的基因表达下调，例如CIT3、IDP2、KGD1和SDH1等，这些基因表达量的变化导致了细胞中糖酵解代谢流的增强和三羧酸循环代谢流的弱化。进一步的检测发现，CCM代谢流的这种重排，促进了细胞中乙酰辅酶A源产物角鲨烯的生物合成。更加出乎意料的是，在摇瓶发酵水平，HIF-1复合体的引入，将高产麦角固醇和羽扇豆醇的工程菌中麦角固醇和羽扇豆醇的产量分别提高了10.5倍和9.2倍，展现出了该复合物诱发的CCM代谢流重排在工程化酵母中生产三萜类化合物的巨大潜力。值得注意的是，除了萜类化合物以外，乙酰辅酶A还是脂肪酸、聚酮等其他类化合物的前体，HIF-1复合体在酵母细胞质中诱导的乙酰辅酶A的积累，同样适用于这些化合物中高价值天然产物的生物合成，因此，该策略具有广泛的应用前景。
广州中医药大学药用植物生理生态研究所王宏斌教授和靳红磊教授为本论文的共同通讯作者，广州中医药大学已毕业硕士生林晓娜（2023届硕士）、滨州医学院安天悦博士和在读研究生傅丹妮为共同第一作者，相关工作得到了国家自然科学基金和广东省特支计划等的资助。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s44307-023-00004-6
