Science Advances | 扬州大学/英国爱丁堡大学团队利用双MYB转录因子打造紫杉醇高效合成通路

近日，扬州大学联合英国爱丁堡大学等多家单位在Science Advances在线发表题为“A minimal transcription factor network is sufficient to drive paclitaxel biosynthesis”的研究论文。该研究依托红豆杉干细胞（CMC）体系，鉴定出两个功能互补的MYB转录因子，构建出极简调控网络，对红豆杉CMC细胞进行工程改造，显著提升了紫杉醇及其关键前体的合成效率与产量，为紫杉醇工业化绿色生产提供了全新技术方案。

研究团队依托成熟的CMC培养体系，以茉莉酸甲酯（MeJA）为诱导条件，结合转录组学，共鉴定出1646个差异表达基因，其中867个上调，749个下调；基因功能富集结果证实MeJA可直接激活紫杉醇合成通路的核心基因，大量紫杉醇合成相关酶基因显著上调；从差异基因中筛选出79个转录因子，分属19个基因家族，其中AP2、MYB、bHLH、NAC家族响应最为活跃。结合表达时序特征，团队进一步缩小范围，优先选择MeJA处理后0.5小时内快速上调的转录因子（这类因子是通路启动的“先锋开关”），最终得到19个候选转录因子（6个AP2、4个MYB、5个NAC、2个bHLH、2个WRKY），开启下一轮功能验证。

研究团队针对紫杉醇合成通路的10个关键酶基因（包括通路第一步关键酶紫杉二烯合酶TASY、限速酶BAPT等），分析其启动子序列，并通过拟南芥瞬时表达体系（TEA），红豆杉CMC原生质体瞬时表达系统和凝胶迁移实验（EMSA）经典实验，发现TcMYB3结合并激活绝大多数紫杉醇合成基因启动子，但无法有效激活T5αH、BAPT两个关键基因（BAPT更是公认的限速基因），而TcMYB4恰好特异性结合TcMYB3的两大“盲区基因”，完美形成功能互补。TcMYB3负责打通合成通路的绝大多数环节，TcMYB4补齐通路短板，二者搭配可覆盖紫杉醇合成全流程核心基因，构成一套极简且完整的调控网络。

为了明确两个MYB因子的调控逻辑，团队继续解析二者的自身启动子与互作关系。研究发现TcMYB3、TcMYB4均可结合自身启动子，实现自我表达强化，让调控信号持续放大。另一方面发现TcMYB4可以激活TcMYB3的表达，反之则不成立，二者形成有序的层级调控关系。共表达TcMYB4和TcMYB4后，T5αH、T13αH、BAPT、DBTNBT等关键基因的激活效果远超单因子表达，协同效应显著。

TcMYB3与TcMYB4在激活紫杉醇生物合成酶启动子中的协同功能

团队进一步构建了诱导型稳定转基因红豆杉CMC细胞株，分别用雌二醇、地塞米松诱导TcMYB3、TcMYB4的表达，单独过表达TcMYB3或TcMYB4，均可提升紫杉醇及前体物质含量，证明两个因子均为正向调控因子。双因子共表达紫杉醇最终含量为98μg/g鲜重，较野生型对照组提升121倍；关键中间体巴卡亭Ⅲ为877μg/g鲜重，较野生型对照组提升364倍；叠加MeJA诱导后，产量可进一步提升，说明该转录因子网络与传统诱导工艺可联用，具备极强的工艺兼容性。对比以往研究，特别是异源宿主（烟草、微生物）合成紫杉醇前体产量普遍偏低，且微生物体系难以表达紫杉醇合成必需的细胞色素P450酶；而传统红豆杉细胞改造多聚焦单个基因/单个转录因子，无法统筹整条复杂通路。本研究跳出“单基因改造”思维，用两个转录因子搭建极简调控网络，实现全通路协同激活，产量远超以往报道水平。

过往提升植物天然产物产量，大多选择过表达单个合成酶或单个转录因子，难以协调多步反应。该研究表明，筛选核心转录因子组合、构建极简调控网络，是调控复杂次生代谢通路的高效策略，为黄酮、生物碱、萜类等各类高价值天然产物的研发提供通用范式，凸显同源宿主的不可替代性。研究发现，TcMYB3在异源拟南芥体系中存在功能缺陷，但在原生红豆杉细胞中可正常发挥作用。这证实红豆杉CMC细胞作为同源底盘细胞，拥有独特的辅酶、亚细胞环境，是生产紫杉醇的最优载体，为后续底盘细胞选择提供理论支撑。

转录因子模块TcMYB3-TcMYB4参与MeJA促进紫杉醇代谢合成网络

综上所述，该研究建立了基于转录因子网络工程的植物天然产物高产技术体系，兼顾科学创新性与产业应用价值。一方面完善了红豆杉紫杉醇生物合成的转录调控理论，解析了R2R3家族中MYB转录因子协同调控复杂萜类代谢的分子机制；另一方面为紫杉醇工业化细胞培养提供了成熟的基因靶点与技术方案，也为丹参、红豆杉等各类高价值药用植物次生代谢产物的合成生物学改良提供了借鉴。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee6211