嘌呤化合物是一类重要的生命活性物质，是细胞内的能量载体、辅酶因子，也是遗传物质DNA和RNA的重要结构组分。另外，嘌呤及其衍生物在食品添加剂、医药等方面也具有广泛的应用。次黄嘌呤是一种常见的嘌呤化合物，具有高活性的6-羟基功能团。 次黄嘌呤的衍生物，例如6-巯基嘌呤是重要的抗肿瘤药物和植物生长调节剂。由于嘌呤类化合物具有广泛的生物活性和应用价值，使得人们对于该类化合物的高效合成产生了浓厚兴趣。在绝大多数微生物中，嘌呤的合成途径主要有从头合成途径和补救途径。嘌呤的从头合成途径是以5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）和谷氨酰胺为前体，经过10步反应合成次黄嘌呤核苷酸（IMP），IMP再通过两条支路分别转化为腺苷单磷酸（AMP）和 鸟苷单磷酸（GMP）。同时，IMP也可以进一步降解为次黄嘌呤。尽管嘌呤化合物的从头合成途径早已探明，但该合成途径受到转录阻遏、转录衰减以及底物反馈抑制等不同层面的严密调控，天然状态下难以积累。

本团队近期在大肠杆菌内成功实现了次黄嘌呤的高效合成，并利用转录组学和荧光定量PCR技术分析了嘌呤代谢途径的合成调控机制。首先通过解除PurR的转录阻遏调控、关键酶定点突变缓解底物反馈抑制、提高嘌呤合成前体的积累，破坏IMP的分支代谢途径等方法将次黄嘌呤的积累提高近10倍。在5L发酵罐水平次黄嘌呤积累达到791.54 mg/L。然而在次黄嘌呤发酵过程中发现，副产物乙酸和黄嘌呤的积累显著。为解决副产物的积累问题，我们发现全局调控因子ArcA在嘌呤代谢调控中具有较好的效果，乙酸副产物的积累从8.40 g/L降低至1.21 g/L，而次黄嘌呤的产量达到1243 mg/L。

通过转录组学和荧光定量PCR技术分析发现，经过上述改造后，嘌呤合成操作子pur和乙醛酸循环途径的基因表达水平显著上调，而IMP转化为AMP和GMP分支途径的基因表达下调。乙醛酸循环是副产物乙酸的重要同化途径，而且该循环没有CO₂的流失，乙醛酸循环的上调可能是降低副产物合成、提高碳源转化率的重要机制。同时利用荧光定量PCR技术分析发现，全局调控因子ArcA不仅可以调控中心碳代谢途径，例如TCA循环、糖酵解途径、磷酸戊糖途径、乙醛酸循环，还可以直接调控嘌呤操纵子的基因表达水平。该项研究不仅实现了大肠杆菌内次黄嘌呤的高效生物合成，还为嘌呤类衍生物及核苷的生物合成调控提供理论依据。

该项研究成果发表在ACS Synthetic Biology期刊，相关系列研究获得了国家基金优秀青年基金、山东省杰出青年基金、中国科学院重点项目等的资助。

图 葡萄糖合成次黄嘌呤的代谢调控

论文链接：Liu M, Fu YX, Gao WJ, Xian M*, Zhao G*. Highly efficient biosynthesis of hypoxanthine in Escherichia coli and transcriptome-based analysis of the purine metabolism. ACS Synth Biol, 2020, DOI: 10.1021/acssynbio. 9b00396.