全 文 ：
综述与专论

生物技术通报
BIOTECHNOLOGY
BULLETIN 2009年第 5期
天然产物的 C
糖基化研究进展
邓会群 1
王惠利 1
杨红 1, 2
洪华珠1, 2
李爱英 1, 2
( 1华中师范大学生命科学学院昆虫所,武汉 430079; 2华中师范大学农药与化学生物学教育部重点实验室,武汉 430079)


摘
要:
自然界中的天然产物在其结构上存在各种修饰, C
糖基化为其中一种比较稀少的修饰方式。 C
C糖苷键的形
成由 C
糖基转移酶负责催化。含 C
糖基的化合物多数来自微生物,但高等植物也会有少量积累。综述了近些年来在天然产
物 C
糖基化方面的研究工作, 并对其在药物开发方面的潜力进行了展望。
关键词:
天然产物
结构修饰
C
C糖苷键
C
糖基化
C
糖基转移酶
Research Progress of C
glycosylation in Natural Products
Deng H uiqun
1
W ang Hu ili1
Yang H ong1, 2
Hong Huazhu1, 2
L iA iying1, 2
(
1
The Institute of Entom ology, College of Life Sciences, Central ChinaN ormal University, Wuhan 430079;
2
K ey Laboratory of
P esticide& Chem ical B io logy, M inistry of Education, Central ChinaN ormal University, W uhan 430079)


Abstrac:t
C
g lycosy lation as a ra re kind of structu ra lm odifica tion in natural produc ts, have been w idespread in m icroorg an ism s
and h ighe r p lants
C
g ly cosyltransfe rase is a key enzym e that is being responsible for the fo rm ation of C
C g lyco sidic bond invo lved in
C
g lycosy lation
Research prog ress in C
g lycosy lation in natural products was rev iew ed in this paper

Key words:
Na tural produc ts
Structural mod ification
C
C g ly cos idic bond
C
g lycosy la tion
C
g lycosy ltransferase
收稿日期: 2008
11
06
基金项目:国家自然科学基金 ( 30770036) ,教育部高等学校博士学科点专项科研基金 ( 20070511004) ,教育部留学回国人员科研启动基金资助项目
作者简介:邓会群 ( 1983
) ,女,湖南郴州人,在读硕士研究生,从事微生物遗传学研究; E
m ai:l denghu iqun@ yahoo
com
cn
通讯作者:李爱英 ( 1971
) ,女,副教授,博士, E
m a i:l ay l@i m ail
ccnu
edu
cn , Te:l 027
67862431


糖基化是生物细胞中最重要的反应之一, 与多
种生理病理过程有直接关系。在微生物和植物的次
级代谢过程中,糖基化也是重要的反应,即生物为了
使有机分子更有效地发挥作用而进行的一种结构修
饰。这种天然的修饰存在于多种生物学活性不一样
的天然化合物中, 包括抗生素、抗癌药物、激素、甜
料、生物碱以及黄酮等多种代谢产物 [ 1, 2]。
根据糖苷键类型的不同, 糖基化可分为 O
糖基
化、N
糖基化和 C
糖基化 3种方式。 C
糖基化是其
中极为罕见的一类, 目前发现存在于为数不多的天
然产物中,糖基供体和受体之间通过稀有的 C
C糖
苷键连接 [ 3] , 其生物学机制还未彻底阐明。催化这
个反应的 C
糖基转移酶可以作为一种新的生物资
源,在药物开发方面有望显示其应用价值。
1
生物细胞中的糖基化
在生物细胞中,糖基化是糖基转移酶 ( g lycosy ltrans

ferase)以糖基供体和受体 (亲核物质 )为底物,把糖基供
体转移到受体上的过程。特定的受体分子包括蛋白、核
酸、寡糖、脂和其他小分子物质。糖基供体是核苷二磷酸
活化形式 (NDP
)的各种糖基,主要是一些 NDP
六碳糖,
其中 UDP
葡萄糖最为常见;另外还包括一些 NDP
脱氧
六碳糖以及许多稀有的 NDP
糖胺等 [ 4]。
在微生物合成抗生素过程中,以及植物合成黄
酮化合物、皂苷、甾体生物碱等次级代谢物质过程
中,糖基化往往都是最后一步反应。糖基与不同糖
基受体的结合不仅能大大增加天然产物的结构多样
性, 在功能上, 这些糖组分通常参与靶细胞的分子识
别, 直接或间接影响到化合物的生物学活性 [ 4, 5]。
植物中的许多糖基化物质除作为重要的药物和化工
原料外,在调节自身激素水平和体内化合物的状态、
以及抵抗外来有害生物或化合物的侵袭以适应环境
变化等方面都起到了重要作用 [ 6, 7]。
根据糖苷键类型可把糖基转移酶分为 3类,包括
O
糖基转移酶 ( O
g lycosy ltransferase)、N
糖基转移酶
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2009年第 5期
(N
g lycosy ltransferase)和 C
糖基转移酶 ( C
g lycosy l

transferase),其中 C
糖基转移酶数目最少。虽然数目
众多的糖基转移酶在序列上呈现多样性,但从立体结
构来看折叠方式却极其有限,仅分属于 GT
A和 GT
B
两大超级家族,少数属于 GT
C家族 [ 8, 9]。
2
微生物源天然产物的 C
糖基化
目前发现的微生物源的含 C
糖基的化合物 (也称
为 C
糖苷 )都是次级代谢产物,其糖基供体和受体均存
在一定程度上的结构多样性,糖基受体多是聚酮和肽
类结构,供体多是一些六碳糖或脱氧六碳糖。
2
1
含 C
糖基的抗生素
含 C
糖基的抗生素包括榴红菌素 ( granaticin) [ 10]、
smi ocyclinone D8
[ 11]、美达霉素 (m edemycin ) [ 12]、gilvo

carcin
[ 13]、hedam ycin[ 14]、乌达霉素 ( urdamycin) [ 15]等。
其中,乌达霉素是具有抗肿瘤活性的聚酮抗生素,结构
上属于角环素家族 ( angucycline),聚酮母核上连接有
一个寡糖链,其中第一个糖基 D
橄榄糖 ( D
o livose)是
通过 C
C糖苷键与聚酮母核连接。其生物合成途径基
本已经阐明,首先经过 9次二碳单位聚合,形成长的聚
酮链,再经过还原、芳香化、环化等反应形成芳香聚酮
母核。然后再进行包括 C
糖基化和 O
糖基化在内的
各种修饰反应, 从而把相应的寡糖链连在母核上。催
化 C
C糖苷键形成的酶是 C
糖基转移酶 U rdGT2。目
前关于这个酶已经有晶体结构分析的报道,认为是个
同源二聚体,属于 GT
B超级家族 [ 16]。
美达霉素是具有抗菌活性和一定抗肿瘤活性的
抗生素,其芳香聚酮母核与一个稀有的脱氧六碳糖胺
( angolosam ine)通过 C
C糖苷键相连。这个抗生素最
突出的地方在于 1985年, H opwood[ 17]教授研究组把
美达霉素的基因簇与放线紫红素的基因组合在一起,
在生物细胞中产生了第一个杂合的天然化合物,从而
诞生了
组合生物合成
的概念。这个化合物生物合
成途径已经有部分阐明,推测其母核的形成与乌达霉
素类似,也存在前期芳香聚酮母核形成和后期结构修
饰的步骤。2003年,美达霉素生物合成全基因簇从链
霉菌 (S trep tomyces sp
AM
7161)菌株中克隆出来 [ 18] ;
2005年,美达霉素合成中第一个后期修饰酶


立体
专一性酮基还原酶的功能已经被鉴定 [ 19]。目前已经
有证据显示其 C
糖基化是美达霉素生物合成的最后一
步反应 (李爱英,未发表 )。此外,在其基因簇中也发现
存在惟一一个 C
糖基转移酶的同源基因 med

ORF8
[ 18]
,相关功能鉴定工作正在作者所在的实验室
展开。
其它含 C
糖基的抗生素研究较少, 虽然在其生
物合成基因簇中也发现 C
糖基转移酶的同源基因,
但还未有详细的功能研究的报道 [ 3 ]。
2
2
含 C
糖基的铁载体类化合物
除上述聚酮抗生素外, C
糖基化还存在于一些
致病菌的铁离子载体中,其糖基受体是肽类结构,形
成的化合物包括 salm ochelins[ 20]、小菌素 E 492( m ic

roc in, M cc492)
[ 21]及肠菌素 ( enterobact in) [ 22 ]等。
肠菌素 ( enterobactin)和 ( salm ochelins)都是肠道
致病性大肠杆菌和沙门氏菌的细菌素类产物,其母核
是由 3个 N
( 2, 3
二羟苯甲酰 )丝氨酸 ( DHB
Ser)进
行分子间酯化而形成的环状结构, 所以属于非核糖体
肽类 [ 22]。在 3个 DH B
Ser单体的 DH B环上, 其 C5
位置都有可能被葡萄糖通过 C
C糖苷键修饰,形成含
有 1~ 3个 C
糖基的肠菌素,其中 sa lmochelins是含有
一个或者两个糖基的肠菌素 [ 22 ]。这些系列化合物都
是肠细菌内的铁载体,能特异性与环境中微量的 3价
铁结合,满足细胞对铁的需要 [ 23]。并且相关研究已
经证明葡萄糖与 DHB环之间的 C
C糖苷键的形成是
由 C
糖基转移酶 IroB来催化的,体外酶学反应表明
这个酶的底物识别范围较宽 [ 22]。
小菌素 E492是由肺炎克雷伯氏菌 (K lebsiella pneu

moniae)产生的短肽,其母核是由核糖体指导合成的含
84个氨基酸的肽链。小菌素 E492的 C
末端通过翻译
后修饰,与一个线性肠菌素基团相连,即一个葡萄糖通
过 C
O
C糖苷键 (葡萄糖 C6
位置与肽链的 Ser84之
间 )和 C
C糖苷健 (葡萄糖 C1
位置与 DHB
Ser环的 C5
位置之间 )分别连接了核糖体肽与非核糖体肽两个部
分,形成完整的小菌素 E492的结构。含 C
糖基的肠菌
素的修饰使得小菌素 E492在体内能更有效地捕获铁
离子,所以小菌素 E492也是一种铁离子载体, 但发现
它同时还具有抗革兰氏阴性菌的活性,所以又属于肽
类抗生素。催化小菌素 C
糖基化的酶是 IroB的同源
蛋白M ceC,但在底物识别方面明显不如 IroB识别的底
物范围广 [ 24]。
3
植物源天然产物中的 C
糖基化
尽管目前发现的含 C
糖基的化合物多数来自
28
2009年第 5期 邓会群等:天然产物的 C
糖基化研究进展
于微生物的次级代谢过程, 但也有少量报道说明在
植物中也能分离到含 C
糖基的化合物。这些 C
糖
苷类物质多数是在黄酮类化合物合成过程中积累。
3
1
葫芦科中的 C
糖基化
2006年, D elazar等 [ 25 ]从西瓜属药西瓜 (C itrul

lus colocynthis)瓤中分离到了一组黄酮衍生物, 异牡
荆素 ( isov itex in)、异肥皂草甙 ( isosaponar in, 即 isov i

tex in 4

O


d
g lucopyranoside) 及异荭草素衍生物
( isoorient in 3

O
m ethy l ether)。在这组黄酮衍生物
中,一个葡萄糖分子通过 C
C糖苷键连接在黄酮受
体酚羟基环上 (位于两个酚羟基之间 ) ,这一点与前
面介绍的微生物源的化合物中的 C
C糖苷键的位
置类似,其糖基都是与受体酚羟基环相连。
3
2
锦葵科中的 C
糖基化
2007年, Sutradhar等 [ 26]从锦葵科植物 S ida cord i

folia Linn的地上部分分离到了 3种新的黄酮 C
糖苷物
质: ( 1) 3

( 3
, 7

二甲基
2
, 6

辛二烯 )
8
C


D
葡萄
糖
山萘酚
3
O


D
葡萄糖苷,即 3

( 3

, 7


dmi ethy l

2

, 6


octadiene)
8
C


D
glucosy l
kaem pferol3
O


D

glucoside; ( 2) 3

( 3
, 7

二甲基
2
, 6

辛二烯 )
8
C


D

葡萄糖
山萘酚
3
O


D
葡萄糖 [ 1
4]


D
葡萄糖
苷, 即 3

( 3

, 7


dmi ethyl
2

, 6


octadiene )
8
C


D

glucosy l
kaempferol 3
O


D
glucosy l[ 1
4] -

D
g lu

coside; ( 3) 6
( 3

甲基
2

丁烯 )
3

甲氧基
8
C


D
葡
萄糖
山萘酚
3
O


D
葡萄糖 [ 1
4]


D
葡萄糖苷,
即 6
( 3


m ethyl
2


butene )
3

methoxyl
8
C


D
g lu

cosy l
kaempferol3
O


D
g lucosy l [ 1
4 ]


D
gluco

side。在这组化合物中,一个葡萄糖分子以 C
C糖苷键
连接在黄酮受体酚羟基环上,与一个羟基处于邻位,与
另外一个羟基处于对位。
3
3
酢浆草科中的 C
糖基化
早在 1976年, T schesche[ 27] 就从白花酢浆草
(Oxalis acetosella )中分离到了含 C
C糖苷键的黄酮
类化合物


异牡荆素
2

葡萄糖葡糖苷 ( isov itex in
2


g lucosy lg lucosid)。Ahm ad等 [ 28]在 1996年又从
黄花酢浆草中分离到了 3种黄酮 C
糖苷, 是芹菜素
衍生物: ( 1)异牡荆素 ( isov itex in, apigenin 6
C
gluco

side); ( 2)牡荆素 ( v itex in, ap igen in 8
C
g lucoside) ;
( 3)牡荆素
2

葡萄糖葡糖苷 ( v itex in
2


g lucosy lg lu

coside)。这 3种化合物中, ( 1)和 ( 2)是异构体,其
C
C糖苷键所在的位置有差别。后来, Rayyan等 [ 23]
从紫叶三角酢浆草的叶子中又分离出一种新的黄酮
C
糖苷


apigenin( 6
C
( 2


O
( 6



( E )
ca ffeoy l

g lucoside)


g lucopyranoside)。作为芹菜素的衍生
物, 与以上 4个化合物结构相比, 这个新化合物其
C
葡萄糖上 C2
位的取代基团不是葡萄糖, 而是咖
啡酰葡萄糖。这些 C
糖苷类黄酮是花青素的组成
成分,对植物本身的花色有直接决定作用。
3
4
美洲苦木科中的 C
糖基化
早前有人从美洲苦木科植物 Alvaradoa jamaicen

sis的地上部分分离到了蒽酮类化合物 A lvaradoins A
~ D,均含有 C
糖基, 但是它们都没有显示生物学活
性; 2007年, Phifer等 [ 30]又从 Alvaradoa haitiensis U rb
叶片中分离出 10种新的蒽酮类含 C
糖基的化合物
adlvarado ins E ~ N, 且都有细胞毒素活性, 其中 A l

varado in E、F活性最大。
另外, 2006年, Jiang等 [ 31]从蓼科酸模属植物土大
黄 (Rumex japonicus)的根部中分离到了 5种新的蒽酚
酮类含 C
糖苷物质; Zou[ 32, 33]先后从毛茛科金莲花属植
物短瓣金莲花 (Trollius ledebouri)的花瓣中分离出 10
种黄酮 C
糖苷物质; Fujita[ 34]发现鸢尾科鸢尾属植物中
也含有 C
糖基化的氧杂蒽酮和黄酮类化合物。虽然从
植物中分离到的 C
糖苷类物质在不断的增加,但植物
中催化 C
糖苷类物质合成的 C
糖基转移酶的研究却
很少,目前仅见一篇关于在蓼科植物荞麦 (Fagopyrum
esculentum )中分离到一个 C
糖基转移酶同源基因的报
道,但还未展开深入的功能验证 [ 35]。
4
展望
C
糖基化作为一种罕见的生物学现象,其 C
C糖
苷键形成的生物学机制引起人们许多关注, 尤其是
C
糖苷物质在几种原核生物和植物的芳香类物质中
都有发现。从结构上看,这些 C
糖苷化合物中的 C

糖基无一例外都是与受体母核酚羟基处于邻位、间
位、对位,甚至是同一个碳原子上, 所以目前就其生物
学机制存在较为人们接受的一种假设, 即 NDP
糖基
供体的异头碳受到了糖基受体芳香酚环的亲核攻击。
而糖基受体上具有亲核功能的负碳离子的形成则是
个关键的问题。有人认为糖基受体上的酚羟基首先
在 C
糖基转移酶催化下,脱掉质子,形成多电子结构;
然后电子在酚环上重新排布而形成负碳离子 [ 36, 37 ],
29
生物技术通报 B iotechnology
Bulletin 2009年第 5期
这还需要进一步实验来证明。但是随着更多 C
糖苷
的发现,以及更多 C
糖基转移酶的鉴定,这种新的生
物学现象的机制有望得到阐明。
目前发现的 C
糖基转移酶数目还非常少, 但对
U rdGT2的研究却非常深入,从遗传学、酶学、晶体学
等多种水平上已经展开研究。从已有的数据看,这
个 C
糖基转移酶底物识别范围比较宽 [ 16]。除此之
外,肠菌素生物合成中的 C
糖基转移酶 IroB也能识
别不同的底物 [ 20]。 2002年, 有报道称抗癌药物光
辉霉素 ( m ithram ycin)合成途径中的 O
糖基转移酶
的突变可被 U rdGT2互补, 可以产生含 C
糖基的新
化合物 [ 38] ,后又发现 U rdGT2也可以互补抗癌药物
landom yc in合成中 O
糖基转移酶的突变而产生新的
C
糖苷衍生物 [ 39]。这在一定程度上说明这类 C
糖
基转移酶作为一种新的生物资源, 有望可以在现有
药物的糖基化修饰方面发挥其功效, 实现对药物进
行定向的结构和活性的改良。
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