综述：trans-4-羟基-L-脯氨酸生物合成研究进展

时间：2026年3月29日

来源：Journal of Biotechnology

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微生物发酵法生产T-4-Hyp的研究进展与代谢工程策略，通过优化关键酶P4H催化效率、重构宿主代谢网络调控前体供应（L-脯氨酸、α-酮戊二酸、L-谷氨酸）、阻断竞争降解途径及动态调节核心碳代谢，结合辅因子工程（如NADPH、Fe²⁺）和发酵工艺优化，提升产物得率。

Kai Wang|Zi-Wen Xie|Zheng-Heng Qian|Jian-Zhong Xu

教育部碳水化合物化学与生物技术重点实验室，江南大学生物技术学院，中国无锡市蠡湖路1800号，邮编214122

摘要

反式-4-羟基-L-脯氨酸（即T-4-Hyp）是胶原蛋白的关键组成部分，在制药、食品、化妆品和化工行业中具有广泛的应用价值。传统的提取方法（如动物组织提取和化学合成）受到效率低下、环境污染严重和成本高昂的限制。相比之下，由于微生物发酵具有环境友好性和可持续性，已成为T-4-Hyp工业生产的研究焦点。本文系统总结了T-4-Hyp生物合成的最新进展，特别强调了生物合成途径和核心代谢工程策略。讨论的关键方法包括：挖掘和改造关键酶——脯氨酸-4-羟化酶（P4H）以提高催化效率；通过加强前体供应（如L-脯氨酸、α-酮戊二酸和L-谷氨酸）、阻断竞争途径和降解途径以及动态调节中心碳代谢来系统重组宿主代谢网络；通过辅因子工程（如NADPH供应）、改善氧气可用性以及精确调控关键辅因子（如Fe²⁺）来优化发酵过程。最后，本文概述了未来的研究方向，强调了在新酶发现、先进系统代谢工程和集成过程强化方面的持续探索的必要性。多学科技术的融合有望进一步推动微生物T-4-Hyp生产的工业化。

引言

反式-4-羟基-L-脯氨酸（T-4-Hyp），简称Hyp，分子式为C₅H₉NO₃，是L-脯氨酸经过羟基化后最重要且分布最广的衍生物（Hara和Kino，2020年）。其显著特征是在吡咯烷环的第四个碳原子上引入了一个羟基（图1）。作为胶原蛋白的特定成分，T-4-Hyp是动物结缔组织、皮肤和软骨细胞外基质中的关键结构单元（Yi等人，2014年）。其核心生物学功能在于稳定胶原蛋白的三螺旋结构。这一作用对于维持组织的机械完整性和确保蛋白质正确折叠至关重要（Joshi等人，2026年；Lioi等人，2024年；Taga等人，2020年）。相反，这种三螺旋稳定性的丧失与多种结缔组织疾病直接相关（Joshi等人，2026年；Lioi等人，2024年；Taga等人，2020年）。除了基本的结构作用外，T-4-Hyp还在制药、农业、化学工程、食品和化妆品等多个领域展现出广泛的应用潜力。总之，T-4-Hyp被认为是一种具有重要功能和应用价值的天然氨基酸衍生物。

尽管T-4-Hyp具有巨大的应用潜力，但其工业生产仍面临挑战。目前，蛋白质水解方法效率低下且存在环境问题（Li等人，2020年；Shibasaki等人，2000年；Zhao等人，2017年），而化学合成方法则受到多步骤程序、高纯化成本和使用有毒试剂的限制（Xiulai Chen等人，2021年；Liu等人，2019年）。近年来，随着合成生物学和代谢工程的进步，微生物发酵因其环境友好性、可持续性和成本效益成为T-4-Hyp生产最有前景的方法（Chen等人，2021年；Wang等人，2018年；Zhang等人，2018年；Zhang等人，2022年）。当前的研究主要集中在构建高效的微生物细胞工厂以实现T-4-Hyp的从头生物合成。本文系统阐述了T-4-Hyp生物合成的研究进展，重点关注以下方面：（1）介绍了生物合成途径及关键酶P4H的发现和改造；（2）详细讨论了通过代谢工程策略增强前体供应（如L-脯氨酸、α-酮戊二酸和L-谷氨酸）、阻断竞争途径和降解途径以及动态调节中心碳代谢的最新成果；（3）总结了优化发酵过程中辅因子供应（如NADPH）、氧气转移和关键金属离子（如Fe²⁺）的系统策略。最后，本文提出了未来研究方向，旨在为推进T-4-Hyp的绿色生物制造提供理论参考。

T-4-Hyp的应用

T-4-Hyp是L-脯氨酸的衍生物，在制药领域具有多种生物功能和广泛的应用价值。作为胶原蛋白的特征成分，它不仅有助于维持结缔组织的结构完整性，还在抗氧化、抗炎、抗肿瘤活性以及组织修复等多种生理和病理过程中发挥关键作用。在涉及胶原蛋白代谢异常的疾病中（如肝脏疾病）

T-4-Hyp的生物合成途径

如图2所示，以葡萄糖为底物的T-4-Hyp生物合成始于糖酵解途径（EMP）。在此途径中，葡萄糖被代谢为乙酰-CoA，随后进入三羧酸（TCA）循环。在TCA循环中，有三个酶促反应分别由柠檬酸合成酶（由基因gltA编码）、苹果酸合酶（由基因acnB编码）和异柠檬酸脱氢酶（由基因icD编码）催化，生成α-KG。随后，α-KG进一步