1.4 生物合成基本调控原理
1.4.1 生物固有的调控机制
任何生物必须在任何时刻都处于生物自我的调节控制之下，生物合成亦不例外。生物利用少数的有机物和无机物，要合成和分解大量的生命过程中所必需的蛋白质、核酸、脂肪、碳水化合物及各种次生代谢物质，如果没有严格的自我调节机制是不可能实现的。在长期的进化选择过程中，为适应外界环境的变化，满足生理功能的需要，生物体形成了一整套调节机制，生物中的各种反应都是酶促反应，因此，酶是生物化学反应的必要条件。不论是初生代谢还是次生代谢都受生物自身代谢调控机制的调节控制，这些代谢调节机制在原理上具有共性，也有个性。相对来说，初生代谢的代谢调节较为简单，而次生代谢的代谢调节则较为复杂。尽管次生代谢在近年取得了很大的成绩，但与它本身的复杂性相比，人们对其还知之甚少，并且目前已经研究出的代谢调节机制多数以微生物初生代谢调节为主，植物次生代谢个体水平的调控还主要停留在环境因子的影响研究方面。本节主要从酶、生化反应途径、代谢网络、细胞、组织器官等不同层次综述生物体自身生物合成的调控机制。
（1）酶水平的代谢调控
①酶活性的调节
对于酶来说，生物体至少有两种调节机制：一种是酶合成水平上的调节，即基因水平上的调节，包括基因突变和基因表达的调节，主要影响酶的数量表达；另一种是酶的结构水平上的调节，主要影响酶的活性。前者是一个较长的、效应持续的调节，后一种是一个较快速的、甚至即时性的调节。
共价调节、聚合解离以及别构调节等是酶通过结构上的变化对其活性进行调节的主要方式。共价调节根据酶结构改变的可逆性，分为可逆调节与不可逆调节。有些酶可能在合成和分泌时是无活性的酶原形式，当功能需要时，被相应的蛋白酶作用切去一小段肽链的共价键而被活化，这种调节方式主要在一些消化酶、具防御功能的酶中比较常见，它们的激活往往不是靠一种蛋白质，而是借助酶的级联体系完成，即由一个小的信号引发体系中第一酶的释放或激活，再依次导致第二……第N个酶的大量以至更大量的激活，最终完成生理功能，这是一个快速的信号放大过程；酶的激活是一个蛋白质肽链水解的不可逆过程，酶原激活后不可能变为原来的酶原，因而这种形式的调节是一次性的调节，被激活的酶在完成其特定的生理功能后，能及时地从靶部位通过自身催化或组织蛋白催化作用而降解移去。
目前已知有相当数量的酶能以活化、惰性两种状态存在，它们具有不同水平的催化活性，并且这两种形式能在其他酶的作用下进行可逆互变，也就是说，它们能通过可逆的共价修饰调节其活性，可逆的共价修饰有多种类型，在代谢调节中占有很重要的地位，其中了解最多的是磷酸化/脱磷酸化、腺苷酰化/脱酰化调节、乙酰化/去乙酰化调节等。
通过聚合解离或者结合解离的调节通常是基于酶的高级结构改变而进行的，以这种方式进行活性调节的酶有寡聚糖酶以及一些在代谢中占有关键地位的酶，包括己糖激酶、磷酸果糖激酶、醛缩酶、乳酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶等，虽然它们结合的亚细胞部位可能不同，但它们都能根据生理功能的需要、外界条件的变化而可逆地和细胞颗粒体结合或从其上解离下来，实现对其酶活性的调节。而且这种结合与解离可在瞬间完成，因此这种调节也可能具有普遍的生物学意义（陈石根，2001）。在代谢途径中起关键作用的调节酶主要受别构方式调节。别构调节研究源于反馈调节的观察，最初发现：AMP能激活磷酸化酶b，异亮氨酸能抑制它生物合成途径中的第一酶——苏氨酸脱水酶；类似地，CTP能抑制嘧啶生物合成的第一酶——门冬氨酸转氨甲酰酶，而嘌呤核苷酸（ATP）却能活化它。这些抑制剂与活化剂都是相应的代谢途径的末端产物或相关产物，而作用的对象往往是这个代谢途径中的第一个酶或分支上代谢途径中的第一个酶，这种反馈性的调节概括性地称为别构调节。别构调节是生物机体适应外界条件变化，保持系统平衡稳定，保证生命活动正常进行的一种重要调节方式。参与别构调节的物质一般都是小分子，称为效应物。这些效应物在结构上和被调节的酶的底物或产物可能相同，也可能不同，对酶的作用不同于竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制，因为它作用的部位不是酶的活性中心，而是调节中心。但是，这是通过和调节中心的结合，使酶活性中心的构象发生改变，从而导致酶活性的改变。受别构调节的酶一般都是寡聚酶，调节中心和活性中心的关系可通过物理或化学方法，如加热、冰冻、尿素或有机汞等处理而加以解除，称为“脱敏”。别构酶的动力学速度曲线为“S”形，不同于正常恒态酶的矩形双曲线，S形曲线存在两个阈值，当底物浓度低于阈值时，酶反应速度随底物浓度较为缓慢地升高，但超过这个阈值后，酶反应速度随底物浓度升高而迅速增大。别构酶的这种动力学特性还会因其他效应物的存在而进一步改变，有的是激活型效应物，有的起抑制作用。
由于代谢调节的多样性，在不同的代谢体系中，别构酶也可能有些不同，别构调节还可能和可逆的共价调节、聚合解离调节相结合，共同组成各种级联系统，快速地将某种信号放大，进行代谢和生理调节，因此，酶活性的调节应与代谢体系、生理系统一起考虑。
酶合成水平上的调节（陈石根，2001）和其他蛋白质一样，酶的合成可以在基因复制、转录和翻译等各种水平上进行调节控制。有关此方面的结果目前研究比较成熟的是原核生物的操纵子模型，而真核生物的蛋白质合成调控机制与原核生物基本相同，但作用更为复杂。
操纵子主要包括两部分：一个是决定酶的结构和性质的结构基因，现在发现，在代谢功能上相互关联的酶，其结构基因通常集中在操纵子DNA链的一个或几个特定区段内，组成多顺反子；另一个是操纵基因、启动基因和调节基因等组成的调控部分。结构基因决定酶的结构与性质，但不影响酶合成的速度和量，而酶合成的速度和水平取决于调控部分。经典的操纵子模型是大肠杆菌的乳糖（Lac）操纵子模型（图1-27）和色氨酸操纵子模型。结构示意图中的乳糖代谢有关的三种结构基因z、y、a，它们与操纵子基因等共同组成一个基因表达调控单位。操纵基因在操纵子中起“开关”作用，当开关开启时，附着在启动基因上的RNA聚合酶就能通过这一开关，沿着结构基因移动，并以结构基因为模板进行转录，合成相应的mRNA，进而mRNA翻译为氨基酸序列，合成有关的蛋白质或酶。反之，当操纵基因处于关闭状态，RNA聚合酶的移动就会受到阻遏，结构基因就无法实现其模板作用，当然就不能合成相应的蛋白质或酶。在操纵子模型中，调节蛋白大多表现为阻遏作用，故称之为阻遏蛋白，在某些酶的合成调节机制中，阻遏蛋白能直接与操纵基因结合，只有在相应的效应物存在条件下，两者结合形成阻遏蛋白-效应物复合物后，才能进一步与操纵基因结合，使之关闭，这里效应物称为阻遏物。
操纵子调控的方式表现为诱导和阻遏。有些酶在通常情况下不合成或者合成甚少，但加入诱导物后，就能大量合成，这一现象称为诱导，这是因为调节系统中调节基因编码的调节蛋白是一类别构蛋白，不仅能直接和操纵基因结合、阻遏酶的合成，还能和诱导物结合，调节蛋白构象的变化导致操作开关打开，促使酶大量合成。因为次生代谢物合成的酶绝大多数是这种类型，因此，加入诱导子是促进次生代谢合成最基本的做法。
阻遏有两种类型，即反馈（终产物）阻遏和分解代谢物阻遏。反馈阻遏发生在当以一定速度合成的酶催化生成的产物积累到某种浓度水平并能满足需要时，这些酶的合成就会受到阻遏。因为反馈阻遏的机制可能是阻遏蛋白本身没有和操纵基因结合的能力，因而通常情况下不会构成阻遏，但这种阻遏蛋白能以酶反应的终产物为效应物，产生别构效应，形成能和操纵基因结合的阻遏蛋白-终产物复合物，从而对参与生物代谢中酶进行调控。
“葡萄糖效应”是理解操纵子模型的典型例子。当细胞在含有两种碳源（例如葡萄糖和乳糖）的培养基中生长时，细胞的某些合成代谢将会受到碳分解代谢产物的阻遏，这时细胞先利用葡萄糖作为碳源，直到培养基中葡萄糖被耗竭，这种阻遏作用才被解除，细胞才开始利用另一个慢碳源（乳糖），这种现象叫葡萄糖效应，葡萄糖称为快碳源。这是因为葡萄糖等快碳源的某种分解代谢产物能影响cAMP与利用乳糖的半乳糖苷酶基因的启动，使慢碳源（乳糖）代谢的启动基因发生阻遏，故细胞此时只能利用葡萄糖而不利用乳糖。反之，葡萄糖耗竭，cAMP的受阻得到缓解，受体蛋白与cAMP成功结合成为活化复合物，RNA能进入启动基因的特定结合位点，半乳糖苷酶开始表达，乳糖代谢的阻遏作用被解除，细胞才开始利用乳糖。乳糖被分解后，产生了葡萄糖，又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合，使结构基因关闭，这时细胞便继续利用葡萄糖，等到葡萄糖消耗殆尽后，再启动乳糖的结构基因，这种调控模型也称为乳糖操纵子模型。乳糖对葡萄糖的代谢基因起诱导作用，表现为负反馈。
与乳糖操纵子相反，色氨酸操纵子表现为正反馈。色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。当培养基中有足够的色氨酸时，该操纵子自动关闭；缺乏色氨酸时，操纵子被打开。色氨酸在这里不是起诱导作用而是阻遢，因而被称作辅阻遏分子，意指能帮助阻遏蛋白发生作用。
②生化反应调节方式
代谢调节的基本方式是反馈调节，包括反馈抑制和反馈阻遏。前面已经述及酶合成水平上的调节会受到反馈阻遏，从连续的生物化学反应角度看，生化反应的调节方式表现为反馈抑制，反馈抑制主要有如下几种模式，如图1-27～图1-30所示。
图1-27 终产物抑制式
图1-28 顺序抑制式
图1-29 积累反馈抑制
图1-30 不同分支终产物对多个同工酶的抑制
从A到E经历简单的线性代谢途径，终产物E的过量积累会明显抑制从A到B的反应，从而使该途径整个受到抑制。
从S到A的反应受控于单一的酶，这个酶受产物C的反馈抑制，如果通过抑制从C到D或者从C到G的反应速度，这时虽然提高了终产物I或者F的量，但中间产物C浓度的提高，使S到A的反应又受到抑制，这种模式称为顺序抑制式。
有多个分支途径存在时，某一终产物的过量可能只能部分抑制或阻遏途径中的第一个酶，图中从A到B的反应需要终产物E、H、I都“过量”时，它们的联合抑制才显示出对整个代谢途径的抑制。
从A到B的反应可由多种酶催化，但它们受不同的终产物反馈抑制，即存在同工酶的现象。终产物E、H、I分别针对不同的酶进行抑制。
（2）细胞水平的代谢调控
①形成多酶复合物
细胞中的代谢系统，除极少数是以单酶形式催化外，绝大多数的酶通常是以物理方式或共价方式聚集在一起形成多酶复合物或多酶蛋白，它们往往具有单酶不具有的特点，即产物从一种酶到另一种酶的活性中心所需时间减少；从一种过渡态到另一种过渡态所需时间缩短；形成专一化的区域，使得一种酶的产物主要为系统本身所利用，而不为系统以外的其他酶所利用；便于细胞进行网络化的协同性调控等。
②细胞内酶的区域化
细胞中功能上相互关联的酶还可能被进一步区域化，在亚细胞结构水平上建立起相应的代谢体系或者代谢途径区划，这些代谢体系或代谢途径之间又可通过底物、辅助因子、效应物甚至酶而相互联系。
③细胞代谢的网络化
尽管每一个代谢反应都是在有限数量的酶催化下完成，但生物体内发生的每一个化学反应绝对不是孤立和静止的，而是相互关联、相互协调、相互制约，如果将一个代谢物分子当作一个节点，则节点之间的连接是生化反应，细胞内无数个节点和连线就构成了蛋白质层次的代谢网络。代谢网络不同于结构规则、节点数和连接数量固定的有尺度网络，而是结构随机、节点数“无数”的复杂网络，把这种天然随机的互联网称作为生物界的一种自主调控的无尺度网络，它作为一个整体来承担细胞的物质代谢和能量代谢。
一般从功能上将细胞代谢网络分为产能反应群、生物合成反应群、多聚反应群、组装反应群等四个反应群；细胞中以糖代谢为中心的载流路径被分类为向心途径、中心途径和离心途径，这三者依次首尾衔接而贯通构成代谢的三大板块，其中离心途径主要用于生物合成生命物质，既包括蛋白质、核酸、脂类等初生代谢产物的合成，也包括次生代谢产物的合成，代谢途径两两相接、环环相扣而成为一个整体。
处于一定环境条件下的微生物或细胞培养物中，参与代谢的物质在代谢途径（网络）中按一定规律流动，形成代谢的物质流。代谢物质的流动过程是一种类似“流体流动”的过程，它具备流动的一切属性，诸如方向性、连续性、有序性、可调性等，并且可以接受疏导、阻塞、分流、汇流等“治理”，也可能发生“干枯”和“溢出（泛滥）”等现象，同时也涉及流速和流量等问题。代谢途径作为代谢通道是有起点的，但代谢网络没有绝对的起点，也没有绝对的终点。
代谢网络的概念是虚拟的网络概念，事实上，细胞的代谢网络一直处于对环境变动的响应之中，网络中离心途径的终端又可能成为向心途径的起点；网络中的中心途径不止一条，而且有分支，向心途径和离心途径也有多条，而且也有汇合或分支。途径与途径之间还可能存在横向联系（包括还原力和代谢能的平衡）。停止生长状态下的代谢途径（如次生代谢的途径）的延伸，以及不同的细胞空间对各种代谢因子的选择性分隔，使代谢网络更加复杂化。由于人类对代谢远远没有完全了解，目前对代谢网络的认识只是相对的，对代谢的认识还有待深入。
（3）基于网络的调控——整体化协调作用
代谢网络的自主调控性以及网络无尺度性决定了研究代谢调控必须着眼于各个节点连接后的一些整体性问题，诸如可调控点问题、调控的协调性问题等。
①调控点
所谓调控点，是指在反应系统中起调节作用的关键环节。对于一个复杂的代谢反应：
如果该反应是在一个开放系统中进行，底物不断得到补充，产物不断被移去，整个反应系统的速度将处于恒态，但就各具体反应环节而言，有的接近平衡，有的远离平衡，这时系统的调控点理论上应该是那个（些）远离平衡点的环节，通过实验测定调控点有三个标准：A.该环节酶活性最低；B.远离平衡点的反应（不可逆反应）；C.途径的交叉点。
②调控的协调性
生物体的外界环境处于不断的变化之中，为了保持细胞内各组分的稳定，代谢反应必须能够被精确地调控，即生物体必须能够对外界信号产生反馈并能够与其周围环境进行互动，以保持体内平衡。从细菌到人类各种不同的生物系统都需要保持动态平衡的机制，这就是建立在正反馈与双向调节相结合基础上的协调性调节机制。在这种机制下，两种分子相互作用的基本模式是：一种的激活促进第二种的激活，同时第二种低活性时促进第一种激活，但高活性时则抑制第一种的激活（详细知识可参考系统生物学基础的书籍）。这种调节方式好像是与直觉相反，因为通常自动调节预示着负反馈的存在，使变量恢复到稳定状态。尽管细胞中DNA的遗传结构并不随环境的变化而有很大的改变，但环境可以显著地影响基因的表达，也就直接影响了酶的组成、结构及活性，进而影响代谢物浓度和代谢物流（通量）。因此，生物自身的代谢调控应该包含基因组（DNA层次）、代谢途径及生化反应网络（蛋白质层次）、代谢流（物流层次）、代谢生理（微生物细胞层次）等不同层次的网络化整体性调节，从低层次到高层次，从大平台到小平台，需要相应的逐级激活，基因组中的一部分基因被激活而得到表达，形成代谢途径及生化反应网络及其变化，在这种由数千个生化反应构成的错综复杂的代谢网络中，代谢途径和输送系统在代谢物分子水平上整合、在辅因子水平上协调。
③复杂网络理论指导下的细胞代谢网络研究
复杂网络理论以社会网络、技术网络、生物网络（如食物网、代谢网络、蛋白质相互作用网络等）等真实网络为研究对象，通过图论、统计学、统计物理、计算机模拟等方法，研究网络的结构特征、结构与功能的关系、网络的生成机制及网络演化规律等一系列问题，为在系统水平上研究生物网络提供了数理计算平台（王冰，2005）。基于复杂网络理论的细胞代谢网络研究，或称细胞代谢复杂网络研究，多从网络构建、网络静动态特性分析、网络控制三个方面进行研究。其中代谢通路分析、代谢通量分析、流量平衡分析等是对代谢网络控制分析的基础。细胞代谢网络的具体控制方法要结合网络的刚性、节点的主次和类型（挠性节点、弱刚性节点、强刚性节点）、网络的类型（独立型和依赖型）而有不同的控制措施。代谢组学专门针对复杂生物体系中所有小分子代谢物进行全面、高通量、无偏的研究，有助于深入认识代谢网络的结构和流向动态，通过从基因组、转录组、代谢组等不同层次的代谢网络分析，进行整体的、系统地研究，使人们能更好地认识和利用细胞代谢调控过程，从而促进发酵工程、制药工业等产业的发展；代谢网络研究也是代谢工程的重要方面，而代谢工程的潜在应用几乎跨越了生物技术的全部领域。
（4）植物组织器官水平代谢调控
植物是高等真核生物，依光合作用进行自养。植物与微生物相比，在结构上分化成不同的组织、器官等形态，细胞内有各种细胞器等亚微结构，其生理功能依据组织、器官的不同而不同。植物形态受植物基因和新陈代谢过程共同影响。植物体内的生物化学反应在细胞内已经固定在一定的间隔区域，漫长的生物进化和人工选择使植物的生物合成趋于更加复杂。植物次生代谢有以下几个基本特征：
①许多次生代谢产物常出现在植物发育的一定阶段，并不是在植物生长的任何时期都出现，例如：紫杉醇在中国红豆杉一般30年以上树龄方可检出（刘智，2006）。
②当植物的生长受抑制时，次生代谢的合成量往往加大。
③与物候期有关，例如一年四季出现次生代谢产物含量的动态变化。
④次生代谢产物积累有明显的组织（器官）特异性。
⑤次生代谢产物具有广泛性和狭隘性。广泛性是指每种植物都有次生代谢产物，每种植物中又有许多种次生代谢产物；狭隘性是指对于某些特定次生代谢产物，只存在于某些属或有亲缘关系的属。
总之，植物次级代谢一般只限定在特定组织和器官内，同时多数仅在植物生活环境的特定时期才出现，且大多受到光照、温度、营养等生理条件的影响，因此，植物中的次生代谢物质的合成调控不仅受细胞内部相关基因的控制，还在很大程度上受环境因素等外界刺激因子的影响，呈现出极大的多样性，可以说次生代谢种类和产量的多样性是生物多样性在分子表型上的具体体现。许多次生代谢产物产生的生理原因就是对环境的适应结果，次生代谢产物的合成往往伴随着植物抗环境胁迫的能力增强，例如，合成大量抗氧化的植化成分使植物免受紫外线伤害；防止食草动物、昆虫及病原微生物的危害而产生的天然杀虫剂；产生挥发油吸引昆虫传粉等。故在植株水平上次生代谢的调控不仅涉及上述基因、酶、细胞代谢网络等层次的共性问题，还涉及次生代谢在植株中的合成、转运、积累部位以及细胞内外信号分子的复杂信号转导机制。
植物次生代谢信号转导的生化事件很多，国内外相关研究报道主要包括离子跨膜运输、茉莉酸甲酯（MJ）及其衍生物合成途径激活、水杨酸（SA）合成途径激活、氧化应激及活性氧（ROS）的合成积累与次生代谢合成之间的作用机制等，用真菌诱导子作用也可促进次生代谢产物的合成。虽然目前对SA和茉莉酸（MJ）之间相互影响的分子机理尚不十分了解，但MJ与SA以及真菌诱导子等信号途径间存在协同效应或者拮抗作用在许多植物中得到了证实，它们是植物在外界生物的或者理化因子的处理下促进次生代谢产物合成的普遍早期反应。
1.4.2 人工干预生物合成的作用原理
自然条件下，生物存在固有的精巧生物合成机制，从产物生产应用的角度看，要大幅度提高目的产物产量，就必须对生物固有的合成机制实施人工干预。一般可以从内（遗传）、外（环境）两个方面进行干预。
（1）遗传控制
①诱变育种
按照生物进化规律，基因突变可以自发地发生，但其概率较小，故在实际中需要采取措施进行诱变。可采用物理方法，也可以采用化学方法，前者包括紫外线、γ射线、快中子辐射、等离子体照射等手段；后者常用5-溴尿嘧啶或者亚硝胍、吖啶黄染料等作为诱变剂，这些物理和化学方法直接或间接引起DNA中的A、C、G等反应而导致基因突变。
基因突变可以发生在直接催化次生代谢产物合成的酶的结构基因上，也可能发生在启动子、转录因子、操纵子等其他部位上。前者往往导致酶的结构和性质的改变，而后者则通常引起酶的产量上升或者下降。根据酶的合成调节机制，可以从两方面提高酶的产量，一是从诱导型转变成为组成型，即突变株在没有诱导物存在的条件下，酶的产量也能达到诱导的水平，这种突变株称为“组成型突变株”；二是阻遏型变为去阻遏型，这种突变株在通常引起阻遏的条件下，酶产量也能达到没有阻遏的水平。因此，诱变育种按照作用原理不同分为组成型突变株的筛选、抗分解代谢物阻遏型突变株的筛选以及抗终产物反馈抑制突变株的筛选。
②代谢工程
虽然环境因素极大地影响次生代谢的含量，但环境因素归根结底要通过基因的表达和调控起作用，如果能从基因水平对催化次生代谢途径中的一系列酶，特别是限速酶、关键酶进行人工重组，毫无疑问会加大通往目的次生代谢产物的流量。因此，通过对相关酶表达水平及活性的调节来实现对次生代谢产物积累水平的调控，一直是人们追求的方向。
限速酶、关键酶往往位于代谢途径支路分叉口或位于合成途径的下游，是次生代谢的基因工程之重要靶向。“利用DNA重组技术对特定的生化反应进行修饰或引入新的反应以定向改进产物的生成或细胞性能”，这正是代谢工程的内涵所在，有关代谢工程的研究领域和进展，本书在第7章有专门介绍，这里不再赘述。
相关基因重组来调控特殊代谢物积累水平有很多策略，包括：利用基因重组的微生物或植物细胞对外源产物进行生物转化；增强关键酶的基因表达或活性；阻止关键酶的反馈抑制；降低竞争途径的代谢流向；增强途径中多个基因的表达或活性；降低目标化合物的分解代谢；控制途径中多个生物合成基因的转录因子，对转录因子进行修饰，可以更有效地调控次生代谢，以提高特定化合物的积累；甚至导入一条完整的代谢途径，使宿主异源表达合成新的目标物等。
③表观遗传控制
表观遗传是指在染色体中DNA序列不发生变化的情况下，基因表达却发生了可遗传的改变，这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定地遗传下去（周锐，2011）。从微观角度看，引起表观遗传改变的机制有很多，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及RNA干扰等，其中DNA甲基化和组蛋白修饰是近来表观遗传学领域的研究热点，在次生代谢生物合成中，它们同样扮演着重要“角色”，不仅影响次级代谢产物的产量，还能激活大量沉默的次级代谢产物生物合成基因簇的表达。
对于真核细胞，DNA甲基化与去甲基化是受DNA甲基转移酶和DNA去甲基化酶调控的一个动态平衡过程；类似地，通过组蛋白的乙酰化和去乙酰化维持组蛋白乙酰化调控的动态平衡，起调控作用的是由乙酰辅酶A依赖的酰基转移酶来完成。与DNA甲基化不同的是，乙酰化主要发生在组蛋白H3和H4的N-端尾部比较保守的赖氨酸残基上。正常情况下，组蛋白赖氨酸的氨基基团存在质子化现象，这促使带正电荷的赖氨酸与带负电荷的DNA因静电效应而紧密结合，在相应位点发生了乙酰化后，正电荷量减少，降低了其与带负电荷DNA链的亲和性，从而有助于DNA与转录调控的各种蛋白因子结合，调控转录的“开”与“关”，最终控制基因的表达或沉默。
研究发现，组蛋白的乙酰化可激活许多沉默状态的次生代谢基因，进一步促进基因的转录与表达，因此，通过抑制DNA甲基转移酶或者去乙酰化酶，可以调控甲基化或组蛋白乙酰化水平，从而有可能促进次生代谢基因的表达。近来发现一些小分子物质，它们可以特异性地或者半特异性地抑制表观遗传修饰的酶类。这样，在次生代谢生物合成中就可以使用或添加这些小分子物质，从整体上调控次生代谢，提高次生代谢产量或发现新的次生代谢产物。目前发现，针对DNA甲基化转移酶的抑制剂有5-氮杂胞苷、5-氮杂脱氧胞、甲硫腺苷、西奈芬净、S-腺苷高半胱氨酸等；针对组蛋白乙酰转移酶的抑制剂主要是伏立诺他（suberoylanilide hydroxamic acid，SAHA）和曲古柳菌素A（trichostatin A）。酶抑制剂法操作简单，投入成本低，特别适合那些遗传背景不太清楚的非模式生物。然而这种方法也存在明显的“问题”，即主要是很多微生物细胞对小分子抑制剂产生耐药性，并且这种方式的表观遗传修饰，在传代中很不稳定。另一种方法是通过分子遗传学手段直接控制表观遗传修饰酶类的表达水平，可以大大提高遗传修饰的继代稳定性，然而进行分子遗传学操作是建立在对菌株的遗传背景充分了解的基础之上，该方法操作上也较为繁琐，一般适合模式生物。综上所述，表观遗传控制的方法目前仍处于研究阶段，距大规模的应用还有一定的距离。
（2）环境控制
①生长期——合成期两段式培养
在利用微生物或者植物细胞发酵培养生产次级代谢产物时，根据次生代谢产物一般都是在培养基中某些养分耗竭时才开始产生的特征，采用两阶段方式培养。在生长期，主要通过初生代谢活动将部分营养物质转变成细胞的构成物质，以促进细胞生物量增加为目标。当生长到一定阶段，细胞从指数生长到稳定期，细胞生长速率逐渐减速直到停止，这时细胞的代谢十分活跃，有许多次生代谢产物开始进入合成阶段，这时又称为生产期或者分化期，此时即可以针对次生代谢进行人工干预。两段式培养策略顺应了初生代谢与次生代谢的互作关系，实际应用中已经成为次生代谢产物生产的基本培养模式之一。
②添加诱导物
添加诱导物适用于次生代谢可诱导的酶类，选择适宜的诱导物及其浓度，可显著提高次生代谢产物的产量。大量研究发现，强诱导物往往是那些难以代谢的底物类似物。例如，异丙基-β-D-巯基半乳糖，虽然不易被β-半乳糖苷酶作用，但却是该酶极好的诱导物，可使酶的产量提高近千倍，甚至可以达到细胞合成的总蛋白质量的百分之几。强诱导物也是底物或者诱导物的生物合成前体，还有许多胞外产物对于催化其形成的酶往往有较强的诱导能力，例如，分泌型纤维素似乎可诱导纤维素酶的酶活力，但是真正起诱导作用的还是它作用的产物，即葡聚二糖。
茉莉酸甲酯（MJ）及其衍生物被认为是一种天然的植物生长调节剂，能诱导植物产生植保素等次生代谢产物，是迄今为止发现的可促进次生代谢最普遍、最有效的化学诱导剂，广泛应用于植物细胞培养生产次生代谢产物的研究与生产中。真菌诱导子作为生物诱导子最初是从真菌菌体、菌液浓缩物、菌丝和菌液中提取，菌丝体经高温处理后的可溶性成分，包括细胞壁降解成分、细胞内成分、菌体分泌物等，其化学成分较为复杂，主要为多糖、寡糖、肽类和蛋白质等初生代谢产物，大量实验证明，真菌诱导子在植物组织和细胞培养生产有用次生代谢产物的研究中，已成为一种最有效的促进措施之一。
许多金属离子是酶催化活性中心的重要组成，金属离子的适当添加可以作为酶的激活剂，有些可与激素受体结合从而影响植物次生代谢。例如，Fe2+和Fe3+是次生代谢产物官能团修饰的关键酶的辅因子，诸如NADPH氧化酶、脂氧合酶、过氧化物酶等，Fe2+和Fe3+通过与这些酶结合与释放使这些酶维持氧化还原平衡；适当浓度的Cu2+对白天仙子（Hyascyamus albus）毛状根的生长和生物碱的合成均有促进作用；用Cu2+处理红豆杉培养细胞也能显著提高紫杉醇含量。
③解除目的物生成的阻遏效应
阻遏可以由初生代谢中分解代谢产物引起，也可因酶反应的终端产物积累而产生，因此，控制这两种产物的生成与积累常常能提高酶的产量。对于受分解代谢产物阻遏的酶来说，限制碳源，特别是避免使用易被快速利用的碳源尤为重要，实际生产中，常采用缓慢滴加并限制其他碳源供应的方式，这种做法，有时可使这类酶的酶活力提高达三个数量级。
④打破终产物自身的反馈抑制
生物合成中，由于生物普遍存在的反馈双向调节机制的存在，使终产物的积累反过来会抑制该反应途径的第一个酶或者分支途径的第一个酶的酶活力或者酶的合成量，即产生反馈抑制或者反馈阻遏。一般通过两条途径打破这种反馈抑制：一是在培养基内添加终产物类似物或者添加阻止终产物形成的抑制剂。例如，在培养基中加入α-噻唑丙氨酸，可使参与组氨酸合成的10种酶的产量提高约30倍（陈石根，2001）。二是采用营养缺陷型突变株，并限制其生长必需因子的供应。例如，采用大肠杆菌硫胺缺陷型突变株并限制硫胺供应，可解除与硫胺合成有关的4种酶的阻遏，其中硫胺素焦磷酸解酶的产量可升高约1000倍。此外，还可以给营养缺陷型突变株供应难以同化利用的生长因子前体或者衍生物，例如，在大肠杆菌尿嘧啶缺陷型突变株的培养基中不加尿嘧啶，而供应二氢乳清酸，结果可使嘧啶生物合成有关的6种酶避免了终产物的反馈抑制作用。
⑤能荷调节
生物体可能通过ATP水平来调节能量代谢，而ATP水平的高低主要通过磷酸盐进行外部调控，例如，在四环素、杀念珠菌素、万古霉素等的生物合成中，只要发酵液中的磷酸盐未耗尽，菌丝体的生长就继续进行，这时几乎没有次生代谢产物的合成；但一旦磷酸盐耗竭，抗生素合成便开始，即使抗生素的合成作用已经在进行，若向发酵液中添加磷酸盐，抗生素的合成会立刻终止。这说明磷酸盐过量很少影响菌体的生长，但会明显影响许多次级代谢产物的合成，为此，在发酵生产次生代谢产物中，磷酸盐通常控制在“亚适量”范围。
⑥改善细胞膜通透性，促进产物分泌
当终产物在细胞内过量积累时，必定会反馈抑制相关的生物合成，因此，需要首先考虑改善细胞膜的通透性，使细胞膜变为渗漏型，生物合成的终产物不断从细胞内“分泌”到胞外，以解除终产物的反馈抑制。典型的改善细胞膜通透性的例子是谷氨酸发酵生产，通过改变细菌细胞膜的脂肪酸组成、脂肪酸含量（特别是油酸含量）、饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比例以及磷脂组成和比例等因素，人为地掌握这些因素的影响，也就控制了膜的通透性。
⑦添加前体
添加合适的前体，无论在微生物发酵还是植物细胞培养体系中，都取得了很好的效果。产生这样效果的原因很容易理解，因为越是复杂的次生代谢产物其生物合成的“路线”越长，通过在生物生长的合适时期添加适当浓度的前体物质，无疑可以扰动细胞现有的代谢平衡，促进前体下游的生化反应，从而提高目的物的产量。
⑧发酵（培养）工艺控制
许多环境条件可以影响甚至改变生物合成的路线或者代谢网络的布局，微生物发酵或者植物组织细胞培养过程中，必须给予生物合适的环境条件，才能促进次生代谢产物的合成。为此，先要通过各种方法了解产生菌或细胞对环境条件的要求，诸如培养基配比、培养温度、pH、氧的需求等，可以通过各种监测手段或取样测定菌体浓度、糖、氮消耗、产物浓度等动态变化，通过传感器随时监测发酵罐中的培养温度、pH、溶解氧等参数情况，及时进行有效的控制，使生产菌（细胞）处于有利于产物合成的优化环境之中。
生物固有及人工干预生物合成的调控机制归纳总结于表1-2。
表1-2 生物合成调控类型
