查尔酮异构酶样蛋白(CHIL)抑制内酯分流并调控异黄酮生物合成中的代谢通量分配

推荐：本研究针对异源宿主中(异)黄酮生物合成途径重构时面临的代谢分流和通量控制难题，揭示了非催化蛋白查尔酮异构酶样蛋白(CHIL)通过抑制查尔酮合成酶(CHS)的副反应(如p-香豆酰三乙酸内酯CTAL形成)，同时促进6'-脱氧查尔酮分支代谢，使大豆苷元(DZN)产量提升33%，为植物天然产物的微生物合成提供了关键调控策略。

　　

在植物天然产物合成领域，重构复杂代谢途径到微生物宿主面临两大挑战：关键酶的底物混杂性导致的碳流损失，以及异源环境中代谢通量控制的缺失。以异黄酮为例，这类豆科特征性代谢物具有抗菌、抗癌等药理活性，但其生物合成起始酶查尔酮合成酶(CHS)在微生物体系中会产生高达42%的副产物p-香豆酰三乙酸内酯(CTAL)。更棘手的是，分支途径中的6'-脱氧查尔酮(ISO)与常规查尔酮(NC)存在竞争关系，如何定向调控代谢流成为产业应用的瓶颈。

研究人员通过系统研究非催化蛋白查尔酮异构酶样蛋白(CHIL)的功能机制，发现其不仅能抑制CHS的副反应，更意外地调控了分支代谢的选择性。实验采用多技术联用策略：通过比较基因组学分析262个CHI-fold蛋白的保守位点；利用同源建模解析CHIL结合口袋的立体阻碍特征；建立包含CHS、查尔酮还原酶(CHR)、查尔酮异构酶(CHI)和异黄酮合成酶(IFS)的多酶体外反应体系；在酿酒酵母中构建从p-香豆酸到大豆苷元(DZN)的全途径，通过LC-MS/MS动态多反应监测(dMRM)定量代谢物。

2.1节通过序列比对发现CHIL结合口袋存在关键差异：Tyr⁴⁸和Trp¹⁹⁰形成空间位阻，而催化CHI中的Lys¹⁰⁹在CHIL中被Gln取代。2.2节体外实验显示GmCHIL使CTAL水平降低42%，同时NC产量提升2.3倍。2.4节酵母工程表明，添加GmCHIL使总黄酮产量增加80%，DZN特异性提高50%。最关键的发现出现在2.5节：CHIL与CHI协同作用时，6'-脱氧分支通量占比从20%跃升至50%，且IFS的存在放大这种效应，说明CHIL可能通过组织CHS-CHR-IFS超分子复合物来定向分配碳流。

这项发表于《Biochemical Engineering Journal》的研究首次阐明CHIL在异黄酮分支代谢中的调控作用，其双重功能——抑制CHS副反应和促进脱氧分支通量，为微生物合成高价值异黄酮提供了新策略。特别是对药用前体DZN的定向增产，为后续抗菌紫檀烷类化合物的生物制造奠定基础。该研究也凸显了非催化蛋白在代谢工程中的重要性，为复杂植物天然产物的异源合成提供了范式。