近日，揚州大學聯合英國愛丁堡大學等多家單位在Science Advances在線發表題為“A minimal transcription factor network is sufficient to drive paclitaxel biosynthesis”的研究論文。該研究依托紅豆杉干細胞（CMC）體系，鑒定出兩個功能互補的MYB轉錄因子，構建出極簡調控網絡，對紅豆杉CMC細胞進行工程改造，顯著提升了紫杉醇及其關鍵前體的合成效率與產量，為紫杉醇工業化綠色生產提供了全新技術方案。

研究團隊依托成熟的CMC培養體系，以茉莉酸甲酯（MeJA）為誘導條件，結合轉錄組學，共鑒定出1646個差異表達基因，其中867個上調，749個下調；基因功能富集結果證實MeJA可直接激活紫杉醇合成通路的核心基因，大量紫杉醇合成相關酶基因顯著上調；從差異基因中篩選出79個轉錄因子，分屬19個基因家族，其中AP2、MYB、bHLH、NAC家族響應最為活躍。結合表達時序特征，團隊進一步縮小范圍，優先選擇MeJA處理后0.5小時內快速上調的轉錄因子（這類因子是通路啟動的“先鋒開關”），最終得到19個候選轉錄因子（6個AP2、4個MYB、5個NAC、2個bHLH、2個WRKY），開啟下一輪功能驗證。

研究團隊針對紫杉醇合成通路的10個關鍵酶基因（包括通路第一步關鍵酶紫杉二烯合酶TASY、限速酶BAPT等），分析其啟動子序列，并通過擬南芥瞬時表達體系（TEA），紅豆杉CMC原生質體瞬時表達系統和凝膠遷移實驗（EMSA）經典實驗，發現TcMYB3結合并激活絕大多數紫杉醇合成基因啟動子，但無法有效激活T5αH、BAPT兩個關鍵基因（BAPT更是公認的限速基因），而TcMYB4恰好特異性結合TcMYB3的兩大“盲區基因”，完美形成功能互補。TcMYB3負責打通合成通路的絕大多數環節，TcMYB4補齊通路短板，二者搭配可覆蓋紫杉醇合成全流程核心基因，構成一套極簡且完整的調控網絡。

為了明確兩個MYB因子的調控邏輯，團隊繼續解析二者的自身啟動子與互作關系。研究發現TcMYB3、TcMYB4均可結合自身啟動子，實現自我表達強化，讓調控信號持續放大。另一方面發現TcMYB4可以激活TcMYB3的表達，反之則不成立，二者形成有序的層級調控關系。共表達TcMYB4和TcMYB4后，T5αH、T13αH、BAPT、DBTNBT等關鍵基因的激活效果遠超單因子表達，協同效應顯著。

TcMYB3與TcMYB4在激活紫杉醇生物合成酶啟動子中的協同功能

團隊進一步構建了誘導型穩定轉基因紅豆杉CMC細胞株，分別用雌二醇、地塞米松誘導TcMYB3、TcMYB4的表達，單獨過表達TcMYB3或TcMYB4，均可提升紫杉醇及前體物質含量，證明兩個因子均為正向調控因子。雙因子共表達紫杉醇最終含量為98μg/g鮮重，較野生型對照組提升121倍；關鍵中間體巴卡亭Ⅲ為877μg/g鮮重，較野生型對照組提升364倍；疊加MeJA誘導后，產量可進一步提升，說明該轉錄因子網絡與傳統誘導工藝可聯用，具備極強的工藝兼容性。對比以往研究，特別是異源宿主（煙草、微生物）合成紫杉醇前體產量普遍偏低，且微生物體系難以表達紫杉醇合成必需的細胞色素P450酶；而傳統紅豆杉細胞改造多聚焦單個基因/單個轉錄因子，無法統籌整條復雜通路。本研究跳出“單基因改造”思維，用兩個轉錄因子搭建極簡調控網絡，實現全通路協同激活，產量遠超以往報道水平。

過往提升植物天然產物產量，大多選擇過表達單個合成酶或單個轉錄因子，難以協調多步反應。該研究表明，篩選核心轉錄因子組合、構建極簡調控網絡，是調控復雜次生代謝通路的高效策略，為黃酮、生物堿、萜類等各類高價值天然產物的研發提供通用范式，凸顯同源宿主的不可替代性。研究發現，TcMYB3在異源擬南芥體系中存在功能缺陷，但在原生紅豆杉細胞中可正常發揮作用。這證實紅豆杉CMC細胞作為同源底盤細胞，擁有獨特的輔酶、亞細胞環境，是生產紫杉醇的最優載體，為后續底盤細胞選擇提供理論支撐。

轉錄因子模塊TcMYB3-TcMYB4參與MeJA促進紫杉醇代謝合成網絡

綜上所述，該研究建立了基于轉錄因子網絡工程的植物天然產物高產技術體系，兼顧科學創新性與產業應用價值。一方面完善了紅豆杉紫杉醇生物合成的轉錄調控理論，解析了R2R3家族中MYB轉錄因子協同調控復雜萜類代謝的分子機制；另一方面為紫杉醇工業化細胞培養提供了成熟的基因靶點與技術方案，也為丹參、紅豆杉等各類高價值藥用植物次生代謝產物的合成生物學改良提供了借鑒。

論文鏈接：

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