NADPH主要来源酶基因比较分析

武迎春 苗兰宁 谢添羽 郝光飞 河北工程大学生命科学与食品工程学院 河北邯郸 056000

引言

高山被孢霉是一种多产长链多不饱和脂肪酸的产油丝状真菌，经过大量的研究，国内外学者已经证实了其对人体的安全性。多不饱和脂肪酸受到越来越广泛的关注，不仅因为其是人体不可缺少的必需脂肪酸，还因为它们在人体生理中起着极其重要的代谢作用，与许多现代疾病的发生和调节密切相关。几十年来，国内外学者们对脂质累积的调节进行了研究，发现NADPH是关键影响因素，主要为脂肪酸合成过程提供还原力。

1 NADPH主要来源基因的比较

1.1 糖酵解途径产NADPH的相关酶研究

随着研究的不断深入，学者们确定了脂肪酸合成过程中的关键酶基因。研究表明，糖酵解途径中的苹果酸酶（ME）是高山被孢霉合成脂肪酸的主要限速步骤，进行苹果酸到丙酮酸的不可逆脱羧反应，为脂肪酸链延长过程提供了大量的还原力 NADPH，其已经得到充分认证和研究。研究表明，ME基因表达的增加会导致脂肪酸生物合成的增加和不饱和脂肪酸的形成。同时，脂肪积累需要对照菌株亮氨酸生物的合成途径。

1.2 磷酸戊糖途径产NADPH的相关酶研究

图1 基因每上调50%菌株中NADPH含量变化

图2 基因每上调50%菌株中脂肪酸含量变化

糖酵解代谢的另外一种常见途径即磷酸戊糖途径，不仅能为合成代谢提供多种原料，而且为脂肪酸合成提供了大量的还原力NADPH。磷酸戊糖途径中的葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGD）被证明是脂肪酸合成的主要限速酶基因。结果表明，G6PD2对脂肪酸合成及还原力NADPH的合成影响最为显著，6PGD作为磷酸戊糖途径的另一关键酶对脂肪酸合成发挥了重要作用[1]。

1.3 三羧酸循环产NADPH的相关酶研究

三羧酸循环中产生NADPH的异柠檬酸脱氢酶（IDH）通过提供所需的辅助因子NADPH在脂肪和胆固醇的生物合成中发挥着重要的作用。2019年，孙晓琪等对异柠檬酸脱氢酶（IDH）进行了过表达，探究了其对高山被孢霉脂肪酸含量的影响。在氮源限制条件下，过表达IDH4/5/6可以显著提高高山被孢霉中NADPH的含量，分别提高37.6%、46.2%和30.1%[2]。

1.4 氨基酸代谢相关酶基因产NADPH的研究

研究表明，氨基酸代谢对微生物脂肪酸合成具有非常重要的影响，比如提供所需还原力NADPH、乙酰辅酶A等[3]。研究发现柠檬酸盐分解代谢、脂肪酸β氧化、亮氨酸代谢和赖氨酸降解为生物合成脂肪酸发挥了重要作用。除此之外，叶酸代谢和四氢生物蝶呤代谢过程中会产生大量的NADPH，而这恰好是脂肪酸合成所必须的[4]。

1.5 产NADPH主要来源基因的比较

NADPH作为脂肪酸合成过程中所需还原力的唯一来源，是脂肪酸合成的关键因素。本文以多篇文献结果为依据，对其在高山被孢霉中同源过表达菌株实验结果进行整理，化为等比后进行结果比较，如图1、图2所示。

当对关键酶基因进行同源过表达时，不同基因过表达菌株的NADPH含量及脂肪酸含量变化有明显差异。其中苯丙氨酸羧化酶（PAH）过表达菌株中NADPH有最大程度的增加（P＜0.001），当基因上调50%时，PAH过表达菌株中NADPH增加为对照菌株的5.63倍。相比较之下，亚甲基四氢叶酸脱氢酶（MTHFD）过表达菌株中脂肪酸含量有最大程度的增加（P＜0.001），增加为对照菌株的3.08倍。

值得注意的是，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD2）无论是NADPH含量还是脂肪酸含量都发生了极显著性的变化。当基因上调50%时，其NADPH含量增加为对照菌株的2.78倍，脂肪酸含量增加为对照菌株的2.45倍。由以上结果可知，产NADPH能力和产脂肪酸能力没有绝对关系，但大多数趋势一致。高NADPH产量也伴随着高脂肪酸产量，相反低NADPH产量也伴随着低脂肪酸产量。

结语

综上所述，氨基酸代谢及磷酸戊糖代谢过程所产生的NADPH为高山被孢霉脂肪酸合成还原力的主要来源，约占89%。过表达菌株NADPH的增加明显促进了脂肪酸含量的增加，这再一次证明了NADPH对于脂肪酸合成具有非常重要的作用，是脂肪酸合成过程中的关键控速步骤。

本文通过对脂肪酸合成过程中供给NADPH的主要来源基因进行了比较，对不同的酶基因效率进行了分析，强调了NADPH对于脂肪酸合成的重要性，为构建多产脂肪酸工程菌株提供了理论依据，这对产品开发和产业化应用具有重要意义。