全 文 ：书西北植物学报!
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文章编号$
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收稿日期$
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&修改稿收到日期$
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基金项目$国家自然科学基金"
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#
作者简介$黄壮嘉"
#11#
#!男!在读硕士研究生!主要从事细胞工程研究
2(34.5
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#*!#%$,##!,
!
#,%+673
"
通信作者$葛
!
锋!博士!教授!主要从事天然产物研究
2(34.5
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8
9:90
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;/.0
8
<=4+7>
8
+60
植物三萜皂苷生物合成中关键后修饰酶研究进展
黄壮嘉!刘迪秋!葛
!
锋"!陈朝银
"昆明理工大学 生命科学与技术学院!昆明
,)")""
#
摘
!
要$三萜皂苷是由三萜苷元(糖基(糖醛酸等组成的
?%"
萜类化合物!是许多药用植物的主要活性成分!具有广
泛的药理作用三萜皂苷的生物合成包括前体和三萜皂苷骨架的形成以及调控皂苷结构多样性的后修饰三萜
皂苷的后修饰包括三萜骨架的氧化%羟基化和糖基化!分别由不同超基因家族编码的细胞色素
@$)"
单加氧酶和糖
基转移酶进行催化三萜皂苷通过后修饰最终可形成多种单体皂苷目前!已在少数植物中识别和确认了个别与
三萜皂苷生物合成相关的关键后修饰酶!发现了部分很可能参与后修饰过程的候选基因该文就近年来国内外有
关三萜皂苷生物合成途径关键后修饰酶的研究进行综述!为进一步开展相关研究和对合成精细途径的解析提供
参考
关键词$三萜皂苷&后修饰&
@$)"
单加氧酶&糖基转移酶
中图分类号$
A1$,+*%
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A&*1
文献标志码$
B
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!!
三萜皂苷是许多药用植物如人参"
!"#"$
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#(三七"
!"#"$#*+*
%
&#()#
%
#(积雪草"
,)#+)--"
"(&"&."
#和罗汉果"
/&0"&+&"
%
0*(1)#*0&&
#等的重要
活性成分已知豆类如大豆"
2-
3
.&#)4"$
#(豌豆
"
!&(54("+&154
#和紫花苜蓿"
6)7&."
%
*("+&1"H+
#
等含有丰富的三萜皂苷)#*三萜皂苷具有广泛的药
理作用!如抗血小板!降低胆固醇!抗肿瘤!抗
CIZ
!
抗炎!抗菌等!也可作为免疫佐剂(杀虫剂(杀真菌剂
和抗利什曼虫剂使用)!*另外!三萜皂苷元也表现
出重要的生物活性!如大豆皂醇
Y
有保肝功能)%*!
齐墩果酸和熊果酸具有抗炎和抗肿瘤活性)$*等皂
苷通常被称之为非挥发性的表面活性化合物!疏水
性皂苷元和亲水性糖基的结合使皂苷具有两性且能
够融入生物膜系统)*三萜皂苷具有复杂的结构!
使得化学合成法在大规模生产中没有经济竞争力!
通过超表达参与三萜皂苷生物合成途径关键酶基因
的方法可使其产量增加),*但是!目前对于三萜皂
苷生物合成后修饰酶的了解知之甚少本文着重对
三萜皂苷生物合成途径的关键后修饰酶细胞色素
@$)"
单加氧酶"
@$)"
#和糖基转移酶"
8
5
M
67/
M
5(
;>40/:9>4/9
!
FP
#研究进展进行综述
#
!
三萜皂苷的生物合成途径
植物三萜成分的分布是由不同三萜合成酶及其
在细胞中的表达水平决定的)!*萜类化合物由
?)
单元异戊烯基焦磷酸"
I@@
#构成
I@@
可经胞质甲
羟戊酸"
[ZB
#途径和质体甲基赤磷酸"
[2@
#途径
合成)&*三萜皂苷骨架是通过类异戊二烯途径合成
的),*鲨烯是三萜皂苷的前体物!由
I@@
通过?牛
儿基焦磷酸合成酶"
F@N
#(法呢基焦磷酸合成酶
"
L@N
#和鲨烯合酶"
NN
#催化生成)**鲨烯环氧酶
"
N2
#将鲨烯转化为
!
!
%(
氧化鲨烯!氧化鲨烯环化酶
"
\N?/
#环化
!
!
%(
氧化鲨烯形成齐墩果烷型(达玛烷
型(乌苏烷型和羽扇豆烷型三萜骨架)1*最后通过
在骨架上进行后修饰"如氧化%羟基化和糖基化#形
成多种三萜皂苷
!
!
三萜皂苷生物合成的关键后修饰酶
一般情况下!那些采用次级代谢产物作为底物
的酶不仅构成了植物细胞蛋白中的一小部分且在次
生代谢物合成的最后几步中担当重要角色)!*
@$)"/
为皂苷骨架添加功能基团"如羟基和羰基
等#!再通过
DJ@(
糖基转移酶"
DJ@(
8
5
M
67/
M
5;>40/(
:9>4/9
!
DFP/
#为皂苷元添加糖基而完成三萜皂苷
的合成)*"图
#
#
DFP/
是
FP/
最主要的亚家族
"家族一#成员!负责皂苷的糖基化)#"*
@$)"/
和
FP/
是植物中两类多基因家族!参与
许多代谢过程在植物中!
@$)"/
利用氧气和
EBJ
"
@
#
C
催化三萜骨架区域专一性和立体专一性羟基
化!扩大了其结构多样性)##(#!*
@$)"/
家族的多样
化不仅仅在于三萜底物的碳骨架!且在于反应的目
标位置皂苷共有的特点是存在一个糖链附着于皂
苷元上!糖链在某些皂苷的生物活性中处于关键位
置),*!可增加三萜的水溶性或改变其生物活性)&*!因
此糖基化反应非常重要在植物三萜皂苷的生物合
成中!糖基化反应比环化和氧化反应产生更多的结
构多样性)#%*了解参与三萜骨架后修饰每一个特
定步骤的酶类!可有效探究皂苷的生物多样性
=+>
!
大豆中参与三萜皂苷生物合成的后修饰酶
大豆的皂苷元结构主要是大豆皂醇
B
和
Y

大豆皂醇
B
在
75940(#!(909
分子的
?(%
(
?(!#
(
?(!!
和
?(!$
位有
$
个羟基!而大豆皂醇
Y
在
?(%
(
?(!!
和
?(!$
有
%
个羟基)#$*根据皂苷元的成分!大豆
皂苷可分为
!
类!
B
类皂苷和
JJ[@
"
!
!
%(O.<
M
O>7(
!
!
)(O.<
M
O>7W
M
(,(39;<
M
5($8(
SM
>40($(709
#皂苷)#)*
B
类皂苷是双糖链型皂苷!在大豆皂醇
B
的
?(%
和
?(!!
位羟基上有
!
条糖链大豆皂醇
Y
在
?(!!
结
合
JJ[@
部分和在
?(%
连结
#
条糖链作为
JJ[@
皂苷的皂苷元)#,*
B
类皂苷
B4
在
?(!!
位上有乙
酰木糖作为终端乙酰化糖!皂苷
BU
有乙酰葡萄糖
作为终端乙酰化糖)#,*拥有乙酰化糖的
B
类皂苷
会造成一种苦涩的味道)#&*
N<.U=
M
4
等)#!*首先在大豆中鉴别出了
#
个编码
三萜化合物羟化酶"
?]@1%2#
#的
6JEB
!该酶在
"
(
香树素和槐花二醇的
?(!$
位分别进行羟基化后生
成
75940(#!909(%
"
!
$(O.75
和大豆皂醇
Y
大豆皂醇
Y
通过
"
(
香树素在
?(!!
和
?(!$
位的两步羟基化完
成生物合成而
?]@1%2#
对
%(<
M
O>7W
M
75940(#!(
909
结构有底物专一性和区域专一性!只在
?(!$
位
甲基上进行羟基化可能是由其他与
?]@1%2#
相
似的
@$)"
酶催化
"
(
香树素或
75940(#!909(%
"
!
!$(
O.75
在
?(!!
位的羟基化)##*
大豆皂苷的生物合成由多种糖基转移酶参
与)#)*
N<.U=
M
4
等)#**通过大豆和蒺藜苜蓿"
6)7&
."
%
*+05#."+5-"
#的表达序列标签"
2NP
#信息!成功
鉴别出在大豆中参与
/7
M
4/4
S
70.0
#
生物合成的
F3NFP!
和
F3NFP%
这是有关糖基转移酶转移
第二个或第三个糖基至三萜皂苷上的首篇报道通
过连续地添加葡糖醛酸(半乳糖和鼠李糖至大豆皂
醇
Y
上合成了
N7
M
4/4
S
70.0
#
体外分析显示
F3NFP!
"
DFP&%@!
#从
DJ@(
半乳糖中转移一个
半乳糖基至大豆皂醇
Y
单葡糖醛酸化物上合成
/7(
M
4/4
S
70.0
$
!随后
F3NFP%
"
DFP1#C$
#从
DJ@(
鼠李糖中转移一个鼠李糖基至大豆皂苷
$
上合成
*%#!
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
/7
M
4/4
S
70.0
#

DFP&%@!
和
DFP1#C$
不仅参
与了大豆皂苷的生物合成且能分别生成带有二糖或
三糖的三萜皂苷该结果也指出三萜皂苷的糖链合
成是通过糖基转移至皂苷元上的连续反应来实现
P4V4O4
等)#)*对
/
%
%
和
/
%
($
位点的连锁分析
发现!这
!
个位点分别控制大豆皂醇
B
和
Y
上
?(%
位糖基的糖链组成"即添加葡萄糖残基作为
?(%
的
第三个糖基和添加树胶醛糖糖基作为
?(%
的第二个
糖基#控制
B
类皂苷
B:
生产的
/
%
(%
位点映射为
细胞色素"
?<>(
#
"
!控制
JJ[@
皂苷
"
4
生产的
/
%
(
$
位点映射为
?<>(#
大豆种子胚轴中
B
类皂苷
BU
和
JJ[@
皂苷
"
4
在
?(%
位的糖基化途径为$皂
苷
B:
的前体物经过
DFP&%@!
催化生成皂苷
B:
!
随后经
/
%
(%
催化生成皂苷
BU
&皂苷
%
4
前体物经过
/
%
($
催化生成皂苷
%
4
!随后经
DFP1#C$
催化生
成皂苷
"
4

即使大豆
B
类皂苷
B4
(
BU
和
B"(
&8
在
?(%
位
有相同的糖链序列!但它们在
?(!!
位却有不同的糖
链序列)#)*
N4
M
434
等)#,*通过遗传分析证明其糖基
化结构多样性由单基因位点
/
%
(#
的复等位基因决
定它们的序列高度相似且都使无乙酰化的皂苷
B"(
&8
糖基化!
/
%
#
" 等位基因编码木糖基转移酶
DFP&%L$
!而
/
%
#
9 等位基因编码葡糖基转移酶
DFP&%L!

DFP&%L$
和
DFP&%L!
分别催化添加
^
M
5
和
F56
基团至皂苷
B"(
&8
的
?(!!
位
B>4>9/.(
O=9
上而形成皂苷
B4
和
BU
通过同源模型和位点
定向突变分析表明
N
8
(#
4的
N9>(#%*
和
N
8
(#
U的
F5
M
(#%*
蛋白质是与它们相关的特定糖供体的关键残基
/
%
(#
的共显性等位基因
/
%
#
" 和
/
%
#
9 分别控制皂
苷
B4
和
BU
的积累)#1*同一位点的隐性等位基因
/
%
#
" 控制皂苷
B"(
&8
的生物合成)!"*
图
#
!
三萜皂苷生物合成的后修饰
JN+
达玛烯二醇合成酶&
HN+
羽扇豆醇合成酶&
(BN+
&
(
香树素合酶&
"
(BN+
"
(
香树素合酶
L.
8
+#
!
P<9
S
7/;(37O.:.64;.707:;>.;9>
S
907.O/4
S
70.0/U.7/
M
0;<9/./
JN+J4334>909O.75(

/
M
0;<4/9
&
HN+H=
S
975/
M
0;<4/9
&
(BN+
&
(43
M
>.0/
M
0;<4/9
&
"
(BN+
"
(43
M
>.0/
M
0;<4/9
1%#!
#"
期
!!!!!!!!!!!
黄壮嘉!等$植物三萜皂苷生物合成中关键后修饰酶研究进展
=+=
!
人参中参与三萜皂苷生物合成的后修饰酶
人参是五加科多年生草本植物!其根部含有药用
活性成分人参皂苷)!#*人参皂苷可能是目前在分子
水平上研究最深入的生物活性皂苷它们的皂苷元
可以分为达玛烷型和齐墩果烷型)!*
&
种达玛烷型
四环三萜化合物"人参皂苷
_U#
(
_U!
(
_6
(
_O
(
_9
(
_:
和
_
8
#
#是主要的人参皂苷成分!只有人参皂苷
_7
是
齐墩果烷型五环三萜化合物!由齐墩果酸合成)!!(!%*
达玛烷型人参皂苷依据皂苷元结构的不同可分为
!
组$原人参二醇型"
_U#
(
_U!
(
_6
及
_O
#和原人参三醇
型"皂苷
_
8
#
(
_9
(
_:
和
_
8
!
#
)
!!
*
研究表明!人参皂
苷元"包括原人参二醇和原人参三醇#的生理活性比
具有较大分子结构的人参皂苷更强)!$*
C40
等)!#*确认了原人参二醇合酶!它是一个
?]@
酶"
?]@&#,B$&
#!催化达玛烯二醇在
?(#!
位
的羟基化生成原人参二醇!
,:!&#,;$&
基因能被茉
莉酸甲酯"
[9`B
#诱导转录激活体外酶活性测定
显示
?]@&#,B$&
催化达玛烯二醇氧化生成原人参
二醇
,:!&#,;$&
可在添加达玛烯二醇的重组酵
母中异位表达生成原人参二醇而且在没有添加达
玛烯二醇条件下!
和
,:!&#,;$&
在酵母中的共
表达可生成原人参二醇因此!
?]@&#,B$&
是一个
达玛烯二醇
#!(
羟化酶!催化达玛烯二醇生成原人
参二醇另外!
!
个其它
?]@&#,B
亚家族基因
"
,:!&#,;)!1!
和
,:!&#,;)%1!
#被分离鉴定)!!*
,:!&#,;)%1!
编码一种原人参二醇
,(
羟化酶!催
化原人参二醇
?(,
位羟基化形成原人参三醇
,:!&#,;$&
和
,:!&#,;)%1!3_EB/
在人参的所
有器官中积累!而
,:!&#,;)!1!3_EB
仅在根茎
中 积 累在 整 个 培 养 时 期
,:!&#,;)!1!
和
,:!&#,;)%1!3_EB
都不受
[9`B
处理的影响!
而
[9`B
处理可使
,:!&#,;$&3_EB
在不定根
中明显积累当原人参二醇加入培养介质后!
,:!&#,;)%1!
在重组酵母的异位表达导致原人参三
醇的生成体外酶活性测定显示!
?]@&#,B)%R!
催
化原人参二醇氧化生成原人参三醇
,:!&#,;)%1!
编码一个催化原人参二醇生成原人参三醇的原人参
二醇
,(
羟化酶!该步骤是形成达玛烷型三萜苷元的重
要步骤
研究表明!
?]@&#,B$&
和
?]@&#,B)%R!
都不是
多功能酶类)!!*多功能活性常在参与豆科植物五环
三萜 类化合物生物合成的
?]@
酶上发 现)!)*
?]@&#,B)!R!
与蒺藜苜蓿多功能氧化酶
?]@&#,B#!
氨基酸序列有
&%a
一致性)!,*!通过系统发育分析可
知
?]@&#,B)!R!
与
?]@&#,B#!
(
?]@&#,B#)
(
?]@&#,B#&
的归类相同!这
%
种酶参与了齐墩果烷
型三萜的生物合成)!!*达玛烷型皂苷元的糖基化也
是人参皂苷拥有生物活性所必需的反应步骤)!&*!一
般发生在皂苷元的
?%
(
?,
和
?!"
位上)!**原人参二
醇可通过
FP
催化生成
_U#
!原人参三醇可通过另一
种
FP
催化生成
_
8
#
)
!1
*
达玛烯二醇的合成可作为
人参皂苷生物合成的一个限速步骤!通过
基因
的超表达可促进人参皂苷的生物合成)!*!而
基
因的沉默将导致人参皂苷的产量减少
*$+)a
)
%"
*

=+?
!
蒺藜苜蓿中参与三萜皂苷生物合成的后修饰酶
N=X=V.
等)%#*在经酵母提取物"
]2
#或
[`
诱导
的蒺藜苜蓿细胞悬浮培养物中检测到超过
%"
种不
同的三萜皂苷来自苜蓿属的皂苷都具有
"
(
香树素
骨架!
)
种不同的三萜皂苷元!苜蓿酸(贝萼皂苷元(
常春藤皂苷元以及大豆皂醇
Y
和
2
已确定为蒺藜
苜蓿皂苷的基本骨架)%!*基于其取代基的位置和
氧化程度!可区分苜蓿的
!
类皂苷"皂苷元#$"
#
#皂
苷元"非溶血性皂苷#在
?(!$
位上拥有
\C
而在
?(
!*
位上没有任何取代基&"
!
#皂苷元"溶血性皂苷#
在
?(!*
位上拥有
?\\C
基团)!,!%%*这些结果似乎
指出
?(!$
位的氧化和
?(!*
位羧基的存在是互相排
斥的)%%*
通过遗传学和生物化学相结合的方法!确定了
#
个参与蒺藜苜蓿皂苷生物合成的细胞色素
!$)"
基因"
,:!&#,;#!
#
)
!,
*

?]@&#,B#!
是一种多功
能酶!具有
"
(
香树素
!*(
氧化酶(
&
(
香树素
!*(
氧化酶
和羽扇豆醇
!*(
氧化酶活性)%$*此外!
?]@1%2!
催
化
"
(
香树素在
?(!$
位的羟基化生成
!$(\C(
"
(
香树
素)!)*
L=V=/<.34
等)%)*也确定了
?]@&#,B#!
和
?]@1%2!
是溶血和非溶血皂苷生物合成途径的关
键酶在其他没有表现出
"
(
香树素氧化酶活性的候
选
@$)"
酶中!
,:!&!;,#1!
基因的表达与
,:!1%=!
的表 达 紧 密 相 关!
,:!&!;,*1!
基 因 的 表 达 与
,:!&#,;#!
基因的表达紧密相关通过组合表达方
式可检测活性较弱的
@$)"
酶的活性!在转基因酵母
中!蒺藜苜蓿
?]@&!B,%
和甘草
?]@&!B#)$
共同在
?(%"
位上对
"
(
香树素进行修饰!
?]@&!B,*R!
催化齐
墩 果 酸 形 成 丝 石 竹 酸!
?]@&!B,#R!
和 大 豆
?]@&!B,#
)
%,
*将
!$(\C(
"
(
香树素转换成为大豆皂苷
元
Y
另外!目前还未能实现来自于植物的
@$)"
酶
在转基因酵母中被组合表达生成目标萜类化合物
E47=3V.04
等)%&*用全面的基因表达聚类分析
鉴定参与蒺藜苜蓿三萜骨架糖基化的候选基因有
"$#!
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$
卷
$个候选
DFP/
在大肠杆菌中表达!其中
DFP&%L%
对多种皂苷元表现出特异性且催化常春藤皂苷
?(
!*
位羰基的葡糖基化在基因敲除系中
%(F56(!*(
F56(
苜蓿酸和
%(F56(B>4(!*(F56
常春藤皂苷元水平
的减少与
DFP&%L%
在
?(!*
位的体外区域专一性
相关苜蓿酸和贝萼皂苷元与常春藤皂苷元一样在
?(!*
位具有羰基!通过
DFP&%L%
的作用!此基团
有可能被葡糖基化)%&*通过对蒺藜苜蓿转录谱和
代谢谱的整合分析确认
DFP&%Q#
和
DFP&#F#
为
三萜糖基转移酶)%**虽说在体外!
DFP&#F#
首选
黄酮类而不是三萜类作为底物!完整的转录谱和代
谢谱却说明
DFP&#F#
参与了三萜类的生物合成
DFP&%Q#
可糖基化多种皂苷元!包括常春藤皂苷
元和大豆皂醇
Y
(
2
!
DFP&#F#
则专门作用于苜蓿
酸目前这
!
个
DFP/
糖基化的位置还没有阐明!
但
DFP&#F#
的晶体结构与
DJ@(
葡萄糖和苜蓿酸
进行硅片对接模拟表明
DFP&#F#
可转移
#
个葡萄
糖分子至苜蓿酸
?(%
位的羟基上)%1*
DFP&#F#
(
DFP&%Q#
和
DFP&%L%
是蒺藜苜蓿主要的糖基转
移酶!它们通过转移
#
个单糖分子到
#
个三萜皂苷
元上生成带有单糖链的三萜皂苷),*
=+@
!
甘草中参与三萜皂苷生物合成的后修饰酶
甘草甜素!一种来自于甘草植物地下部分的三
萜皂苷!在全世界作为天然甜味剂使用)$"*其生物
合成包括
!
!
%(
氧化鲨烯环化形成三萜骨架
"
(
香树
素!以及
?(##
(
?(%"
位的氧化反应和
?(%
位羟基的
糖基化反应)$"*
N9V.
等)$#*以转录谱为基础从甘草
2NP/
中成功鉴别出了
,:!**<,
!并进行了酶活分
析研究
,:!**<,
是甘草甜素生物合成最初始的
!$)"
基因!催化
"
(
香树素在
?(##
位两步连续的氧
化反应生成
##(7W7(
"
(
香树素!
##(7W7(
"
(
香树素可能
是
"
(
香树素和甘草甜素生物合成的中间物)$#*
,:!**<,
与
!
;/
在酵母中的共表达催化
"
(
香树
素氧化生成
##(7W7(
"
(
香树素另外!
,:!**<,
的
表达与甘草甜素的器官特异性积累模式相关!它在
根部高度表达!并超过在茎部和叶子中的表达
量)$!*另一个相关的
@$)"
基因
,:!&!;#)$
在内
源性生成
##(7W7(
"
(
香树素的工程酵母菌株中表达!
催化
##(7W7(
"
(
香树素在
?(%"
位三步连续氧化生成甘
草次酸)$"*
?]@&!B)#$
也被推测可能在
?(!!
和
?(
!1
位上对
##(7W7(
"
(
香树素进行修饰)%)*此外!与大
豆
?]@1%2#
和 蒺 藜 苜 蓿
?]@1%2!
一 样!甘 草
?]@1%2%
也催化
"
(
香树素
?(!$
位的羟基化)##!$#*
通过
F类别分析!得知甘草中与糖基转移酶
有序列相似性的
#&!
个独立基因可分为
$)
个类
别)$!*其中有
!&
个独立基因编码
DJ@(
葡糖基转
移酶!主要参与多种次级代谢物的合成&有
##
个独
立基因编码葡糖基转移酶!可能参与甘草甜素生物
合成的最后一步有
,
个糖基转移酶基因的表达模
式与
,:!**<,
具有相似性!分别为
670;.
8
"#!"1
(
670;.
8
"%,$,
(
670;.
8
")!#1
(
670;.
8
"1$!*
(
670;.
8
"1$,%
和
670;.
8
"1,*,
甘草甜素由皂苷元甘草次酸和两
个葡糖醛酸单位组成!目前在甘草中尚未确认任何
编码糖基转移酶基因的功能!上述
,
个独立基因将
成为功能研究的主要对象
=+A
!
其它植物中参与三萜皂苷生物合成的后修饰酶
从石竹科王不留行"
/"
>
*#"0&"1".."0&"
#发育种
子的
2NP/
中发现
?2@&$6#
基因)$%*
DFP&$[#
是
一个三萜羧酸葡糖基转移酶!通过转移一个活性单糖
如尿苷二磷酸葡萄糖至丝石竹酸"齐墩果烷型皂苷
元#
?(!*
位的羧基上形成一个酯键
DFP&$[#
与
其它植物中可形成酯类的葡糖基转移酶有相似的序
列石竹科家族的大部分皂苷都来源于
"
(
香树素!
较常见的皂苷元有丝石竹酸和棉根皂苷元丝石竹
酸是一个在
?(!%
和
?(!*
位羧基化的
"
(
香树素!与
常春藤皂苷有非常相似的结构在王不留行中存在
单糖链和双糖链两种皂苷!根据它们的结构发现其
合成步骤包括
"
(
香树素在
?(#,
(
?(!%
和%或
?(!*
位
的氧化以及
?(!*
位的糖基化
燕麦"
;1)#"("+&1"
#生成抗菌性化合物燕麦素
"三萜皂苷#!由
"
(
香树素氧化(取代及糖苷化后合
成)$$*
A.
等)$)*确认了一个燕麦皂苷生物合成所需
的基因
,:!)#8#"

?]@)#C#"
酶属于
?]@)#
甾
醇脱甲基酶家族"最古老的细胞色素
@$)"
家族之
一#!在甾醇的合成中高度保留!仅在单子叶植物中
被发现
F9./59>
等)$,*用瞬时植物表达系统显示
?]@)#C#"
是一种多功能
@$)"
酶!能够修饰五环
三萜骨架的
?
和
J
环生成
#!
!
#%
"
(9
S
7W
M
(%
"
!
#,
"
(
O.<
M
O>7W
M
(75940409
利用分子模型和对接实验可
知其
?(#,
的羟基化有可能先于
?(#!
!
#%
的环氧化
北柴胡是中国传统药用植物!柴胡皂苷是北柴
胡的主要活性成分为了生产柴胡皂苷!
@$)"
酶催
化
"
(
香树素氧化形成
#%
!
*(
环氧基和
?(##
%
?#!
双
键结构或者在
?(##
%
?#!
和
?(#%
%
?#*
上形成两个
双键!
DFP
酶催化皂苷元
?(%
的糖基化)%$*通过
$)$
焦磷酸测序方法!在北柴胡中发现了
!$,
个
@$)"/
和
#"!
个
FP/
单一序列)$&*其中! 个
!$)"(
和
%
个
?2@(
被鉴定为最有可能参与柴胡皂苷生物
#$#!
#"
期
!!!!!!!!!!!
黄壮嘉!等$植物三萜皂苷生物合成中关键后修饰酶研究进展
合成的候选基因!其表达模式与
!
(BN
具有较大相似
性利用
09.
8
(
-
7.0.0
8
树发现
Y6DFP%
与
DFP&%
家族的成员接近!特别是
DFP&%@!
(
DFP&%L%
和
DFP&%L#

H.0
等)%$*推 测 高 氏 柴 胡 "
A5
>
-)5054
B"*&
#齐墩果烷型皂苷元
?(%
的糖基化可由
DFP*)B/
进行催化这几个候选基因目前正通过在大肠杆菌
或酵母中的异源表达和在转基因北柴胡中的超表达
以及基因沉默来确认其功能
积雪草是伞形科多年生植物!具有很好的抗炎
疗效!在商业上常作为伤口愈合剂使用)$**它含有
多种三萜皂苷!如斯理兰卡积雪草苷(积雪草苷(羟
基积雪草苷等)$1*根据对羟基积雪草苷结构的判
断!其后修饰很可能包括
&
(
香树素
?(!
(
?(%
(
?(,
和
?(!$
位的羟基化以及
?(!*
位的羧基化)$**经
DFP
催化!积雪草酸和羟基积雪草酸在
?(!*
位的
羧基上结合一个糖基后分别合成积雪草苷和羟基积
雪草苷)$**积雪草苷和羟基积雪草苷的共同特征
之一是存在一个糖链"
8
56(
8
56(><4
#连接于羰基部
分
Q.3
等)$**从
2NP
库中确认了
!$
个
@$)"/
和
#%
个
DFP/
候选基因通过
_P(@?_
分析!有
%
个
!$)"(
"
2NPIJ
分别为
%)L"1
!
$,Y"&
!
)"Y"$
#和
#
个
?2@
"
2NPIJ
为
%)L"#
#被认为是最有可能参与
积雪草皂苷生物合成的基因
P40
8
等)"*使用测序技术在罗汉果果实发育的
%
个重要阶段开展基因表达谱分析!选出了
&
个
!$)"(
和
)
个
DJ@(
葡糖基转移酶"
D@JF/
#基因作
为最有可能参与罗汉果甜苷生物合成的基因罗汉
果甜苷为葫芦烷型三萜皂苷!是罗汉果果肉中最主
要的生物活性成分然而!关于罗汉果甜苷的生物
合成了解甚少!特别是其合成途径的后期加工(修饰
步骤据推测
@$)"/
催化葫芦二烯醇
?(,
和
?(#!
位的羟基化合成罗汉果醇!
D@JF/
催化罗汉果醇
?(%
和
?(!$
位的糖基化形成罗汉果甜苷)"*只有
葡糖基转移酶而不是糖基转移酶!可催化罗汉果醇
形成罗汉果甜苷利用酿酒酵母对罗汉果中的罗汉
果甜苷进行生物转化!证明了
2W
8
#
是一个启动罗
汉果甜苷转换的主要酶类)#*
H=7
等)!1*通过系统发育分析在三七
#&$
个
@$)"/
和
!$!
个
FP/
中发现最有可能参与三七皂苷
生物合成的候选
!$)"
"
@0"!#%!
和
@0""#)*
#和
?2@
"
@0#%*1)
#基因
@0""#)*
的转录物与西洋参中参与
人参皂苷生物合成的候选
!$)"
"
670;.
8
""!$*
#具有高
度的同源性)!**
@0"!#%!
的氨基酸序列与大豆
?]@1%2#
接近)!1*此外!三七
?]@&#,B)%R#
与人参
?]@&#,B)%R!
有
1,+*a
的同源性和
1&+*,a
的相似
性)!!*系统进化分析表明有
%
个
DFP/
"
@0"""*!
(
@0"!"*,
和
@0#%*1)
#归属于蒺藜苜蓿糖基转移酶
"
DFP&%Q#
!
DFP&#F#
#构成的群其中!
@0#%*1)
因
其与
DFP&#F#
关系密切!被认为是负责三七皂苷生
物合成重要的候选
DFP
)
!1
*
此外!在三七中分离到
一个名为
DF_OFP
的糖基转移酶!此酶催化人参皂
苷
_O
转换为人参皂苷
_U#
)
!
*

N=0
等)!**在西洋参
6JEB
文库中发现
#)"
个
@$)"/
和
!%)
个
FP/
单拷贝
序列!经过
[9`B
诱导实验和基于
_P(@?_
检测的组
织特异性表达模式分析!选出
#
个
!$)"
"
670;.
8
""!$*
#
和
$
个
?2@(
"
670;.
8
"#""#
(
670;.
8
#$1&,
(
670;.
8
#)$)#
和
670;.
8
#,%!#
#作为最有可能参与西洋参中人参皂苷生
物合成的候选基因
在燕麦和拟南芥"
;0"9&7*
>
(&(+C"-&"#"
#中!三
萜生物合成途径的基因以代谢基因簇形式存在在
模式豆科植物百脉根"
D*+5(.*0#&.5-"+5(
#中也鉴定
了一个类似的基因簇+++侧翼基因组区域环氧角鲨
烯环化酶
B[]!
基因簇"即编码两类不同的
@$)"
酶和据预测可能编码还原酶的基因簇#)%*在
B[]!
催化下!百脉根生成一种新型三萜结构
O.(
<
M
O>75=
S
975
!另外!一种新的
@$)"
酶"
?]@&#J%)%
#
被确认!此酶催化
!"(
羟基羽扇豆醇连续三步氧化
形成
!"(
羟基白桦酸
%
!
总结与展望
由于产量较低且不稳定以及自然资源有限等实
际性问题!皂苷的商业应用常受到阻碍通过体外
培养!植物可进行无性繁殖且产量不受环境因素的
影响!结合代谢工程!使特定基因过量表达来提高皂
苷的产量!有可能成为解决药用皂苷不足的有效途
径目前!已有多种方法用于寻找和鉴定与三萜皂
苷合成相关的基因如
2NP
分析可识别新基因和
鉴定不同组织中的转录组)$())*&
$)$
焦磷酸测序技
术为发现参与植物代谢的新基因提供更多的机
会)$&*&表达谱和系统发育树分析也可对候选基因进
行鉴别)"*另外!酵母基因敲除突变体是研究皂苷
修饰和葡糖苷酶功能专一性的重要工具)#*在过
去十年中已识别和确认了一定数量的三萜皂苷合成
后修饰酶!但仍未实现在某种植物三萜皂苷生物合
成途径中确认所有参与三萜皂苷合成的相关酶系及
其编码基因本文归纳了多种植物中与三萜皂苷生
物合成后修饰相关的候选基因(
2NP/
以及其它独
立基因!为三萜皂苷合成精细途径的研究提供参考
!$#!
西
!
北
!
植
!
物
!
学
!
报
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卷
参考文献!
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