灵芝是一种拥有两千多年应用历史的药用真菌，被誉为“仙草”，其药效主要来自一种结构独特的天然产物——II 型灵芝酸。作为灵芝三萜类化合物中的稀有分支，II 型灵芝酸在 C7、C8 和 C9、C11 处有共轭双键和多位点羟基、乙酰修饰，使其在抗癌、保肝、抗炎等方面表现出优异的药理活性。然而，由于灵芝本身的生长周期长、遗传体系复杂且不稳定，通过传统栽培或提取方式获取这类化合物的效率极低，产量仅为 0.1 至 200 mg/L，严重限制了其作为临床药物开发的可能性。如何高效合成这类复杂天然产物，一直是合成生物学界的重要挑战。

近日，上海交通大学肖晗团队在 Cell Discovery 发表重要研究成果，题为“Decoding and reprogramming of the biosynthetic networks of mushroom-derived bioactive type II ganoderic acids in yeast”，系统性解析了 II 型灵芝酸的生物合成网络，并首次在酿酒酵母中实现该通路的人工重建，使超过 30 种 II 型灵芝酸得以在工业底盘菌中高效生产，产量比传统方式提升 1 至 4 个数量级。

团队在早期工作中已构建出合成 GA-Jb 等前体化合物的原始酵母底盘，本次研究是在此基础上的升级迭代，突破点在于多个关键修饰酶的精准鉴定，以及代谢流的动态调控系统构建，真正实现了复杂三萜网络的可编程设计。

研究的第一步是解码 II 型灵芝酸的生物合成路径。团队利用蓝光诱导灵芝菌丝体，显著提升目标产物积累水平，结合多个时间点的转录组测序，获得 168 个与已知修饰酶共表达的候选基因。随后通过异源表达验证筛选出一系列具有修饰能力的酶，包括柑橘来源的 CsSDR 和人源 AKR1C4 能实现 C3 位构型转换，进一步完善了前体合成模块。在此基础上，团队首次发现了 CYP512W6 这类灵芝自身来源的细胞色素 P450 酶，具有高度专一的 C22 羟化能力。不同于植物 CYP90 家族的 C22 羟化酶，CYP512W6 只能催化 GA-Jb 底物，其活性高度依赖特定位点氨基酸的构象稳定性。研究结合分子对接和酶突变实验，确认 T212、M365 和 R366 等关键残基通过氢键或盐桥方式稳定底物定位，其突变可导致活性下降 90% 以上，佐证了 CYP512W6 在 C22 位羟基引入过程中的核心角色。

图｜II 型灵芝酸的生物合成网络及其在灵芝和酵母中的重构框架

在羟基修饰之外，II 型灵芝酸的功能还依赖于多位点的乙酰修饰。团队在筛选潜在转移酶时，首次发现一种双功能膜结合 O-乙酰转移酶 GIAT，属于 MBOAT 家族，能够同时催化 C15 和 C22 两个羟基的乙酰化反应。这一发现在天然产物领域属首次报道。

通过分子模拟，研究揭示了 GA-T2 在 GIAT 活性口袋中存在两个稳定结合构象，分别适配 C15 和 C22 两个修饰位点，其中 C22 结合构象更占优势。进一步突变分析表明，G208 和 A211 决定底物通道大小，是影响乙酰化位点选择性的关键因素，而 H305 则为催化中心的核心残基，其突变可完全丧失催化活性。酶学结果显示，GIAT 不仅催化能力稳定，还展现出良好的底物特异性，为今后其他天然产物的结构导向修饰提供了重要工具。

基于上述酶筛选成果，团队通过荧光引导整合技术将催化模块装配至酵母基因组。为解决代谢流竞争问题，研究者创新性地设计了双诱导调控系统：乙醇诱导启动子 PADH2 用于控制 GIAT 表达，延缓 C15 与 C22 位乙酰化反应，使中间产物 GA-T 的产量提升至原始表达系统的 125 倍；而半乳糖诱导的 PGAL1 启动子则激活 BsAT 表达，促进 C3 位乙酰化反应，使终产物 GA-T2 的产量较组成型表达提升 3.1 倍。最终，在无需抗生素的条件下，工程菌实现了 GA-Jb 产量达 41.1 mg/L，TLTOA 达 37.4 mg/L，30 余种 TIIGAs 综合产量超过天然来源 1 至 4 个数量级，为其大规模应用提供了坚实基础。

图｜基于酵母的代谢路径重编程实现 30 余种 II 型灵芝酸的高效合成

本研究实现了从天然药用蘑菇中解析复杂合成通路，到人工底盘菌中重建完整产物链的跨越，标志着灵芝酸研究从传统提取迈向“精准制造”阶段。更重要的是，这一成果不仅限于灵芝酸生产，其研究思路、筛选策略和通路设计逻辑对其他难以获得的天然产物也具有广泛适用性。GIAT 等新型功能酶的发现也刷新了对真菌代谢系统复杂性的认识，为天然产物结构多样性构建提供了新模板。未来，基于此平台的功能扩展、酶工程优化与微生物共工厂设计，将有望催生一类全新的生物药物制造模式，助力中医药现代化走向可编程、可再现的新阶段。

参考链接：

1.Wang, Q., Li, Y., Zhang, S. et al. Decoding and reprogramming of the biosynthetic networks of mushroom-derived bioactive type II ganoderic acids in yeast. Cell Discov 11, 61 (2025). https://doi.org/10.1038/s41421-025-00812-1.