全 文 ：中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 43 卷 第 8 期 2012 年 8 月

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植物细胞色素 P450 在三萜皂苷生物合成中的功能研究进展
徐洁森 1, 2，魏建和 1, 2，陶韵文 1, 3，孙 晶 1, 4，隋 春 1, 2*
1. 中国医学科学院 北京协和医学院药用植物研究所，北京 100193
2. 中草药物质基础与资源利用教育部重点实验室，北京 100193
3. 佳木斯大学药学院，黑龙江 佳木斯 154007
4. 东北林业大学生命科学院，黑龙江 哈尔滨 150040
摘 要：三萜皂苷是许多药用植物的药效成分，其生物合成通常可分为前体形成、骨架构建以及后修饰 3 个部分。后修饰过
程是植物调控形成众多种类单体皂苷的重要过程，其机制至今尚未完全阐明。植物细胞色素 P450 是由少数几个超基因家族
编码的，参与多种生物过程，包括三萜皂苷次生代谢的后修饰过程。目前，已在少数植物中克隆到了催化个别单体皂苷生物
合成的 P450 基因，其功能研究取得了一定进展。将就此进行综述，为进一步开展相关研究提供借鉴。
关键词：三萜皂苷；生物合成；细胞色素 P450；超基因家族；基因克隆
中图分类号：R282.1 文献标志码：A 文章编号：0253 - 2670(2012)08 - 1635 - 06
Advances in studies on functions of plant cytochrome P450 in triterpenoid
saponin biosynthesis
XU Jie-sen1, 2, WEI Jian-he1, 2, TAO Yun-wen1, 3, SUN Jing1, 4, SUI Chun1, 2
1. Institute of Medicinal Plant Development, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing
100193, China
2. Key Laboratory of Bioactive Substances and Resources Utilization of Chinese Herbal Medicine, Ministry of Education, Beijing
100193, China
3. College of Pharmacy, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China
4. College of Life Science, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Key words: triterpenoid saponin; biosynthesis; cytochrome P450; supergene family; gene cloning

三萜皂苷是一类重要的植物次生代谢产物，是
许多药用植物如甘草、人参、三七、柴胡等的活性
成分[1-3]。现代药理研究证明，三萜皂苷具有抗癌、
抗凝血、抗炎、抗病毒、调血脂、保肝、降血糖、
免疫调节和神经保护等功能[4-8]。三萜皂苷的量和组
成随着植物的遗传背景、组织类型、生长年龄、生
理状况以及环境因子的变化而发生显著变化[9]，而
其量和组成的变化又取决于三萜皂苷合成途径中的
一些关键酶及其在细胞中的表达水平[10]。本文着重
对三萜皂苷生物合成途径中的后修饰酶细胞色素
P450 的功能研究进展进行综述。
1 三萜皂苷生物合成途径
在高等植物中，三萜皂苷是通过类异戊二烯途径
合成的。其合成途径可大体分为 3 个阶段：前体形成、
骨架构建以及后修饰。活性 C-5 单位异戊烯基焦磷酸
酯（IPP）作为前体物质，是在细胞质和线粒体中通
过甲羟戊酸途径（MVAP）合成的，而在质体中则是
由丙酮酸/磷酸甘油醛途径（PGP）生成[10-14]。IPP 与
其异构体二甲丙烯焦磷酸（DMAPP）缩合为牻牛儿
基焦磷酸（GPP），GPP 与 IPP 或 DMAPP 在法尼基
焦磷酸合酶（FPS）作用下以头尾方式连接转化为法
尼基焦磷酸（FPP），又在鲨烯合成酶（SS）的作用下
合成鲨烯（SQ），然后经鲨烯环氧酶（SE）催化转变
为 2, 3-氧化鲨烯（2, 3-oxidosqualene），2, 3-氧化鲨烯
在不同的 2, 3-氧化鲨烯环化酶（OSCs）如羽扇豆醇
合酶（LS）、达玛烯二醇合酶（DS）、α-香树脂合酶

收稿日期：2012-04-20
基金项目：国家自然科学基金面上项目 (81072994)；北京市自然科学基金面上项目（5102033）；中医药行业科研专项（201107011）
作者简介：徐洁森，硕士研究生。
*通讯作者 隋 春 E-mail: csui@implad.ac.cn
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（α-AS）、β-香树脂合酶（β-AS）的环化作用下生成不
同类型的三萜骨架；三萜骨架依赖细胞色素 P450 单
加氧酶氧化、糖基转移酶的糖基化等后修饰过程，
最终形成种类众多的单体皂苷[3,10,14-22]。
2 参与三萜皂苷生物合成的 P450
植物细胞色素 P450 具有广泛的催化活性，参
与苯丙烷类、萜类、生菁糖苷类、生物碱、植物激
素等的生物合成[23-26]。其催化作用的共同特点是在
作用物分子中加入一个氧原子。其中在三萜皂苷的
生物合成中，细胞色素 P450 主要催化三萜骨架惰
性甲基和亚甲基的氧化[27-28]。三萜皂苷广泛存在于
自然界中，仅从柴胡属植物中分离皂苷类成分已达
120 多种，而后修饰过程是形成结构多样性的主要
因素。鉴于植物细胞色素 P450 催化反应的复杂性，
关于其催化机制的研究较少。目前已证明参与三萜
皂苷生物合成的细胞色素 P450 仅有：大豆 Glycine
max (L.) Merr. 中的 CYP93E1[29]，燕麦 Avena strigosa
Schreb. 中 的 CYP51H10[30] ， 甘 草 Glycyrrhiza
uralensis Fisch. 中 的 CYP88D6 、 CYP93E3 和
CYP72A154[31-32]，蒺藜苜蓿 Medicago truncatula L.
中的 CYP716A12、CYP93E2[33-34]（表 1）。
2.1 大豆 CYP93E1
Shibuya 等[29]在 2006 年从大豆中鉴定了第一个
参与皂苷元修饰的细胞色素 P450 酶 CYP93E1。通
过在酿酒酵母中的异源表达分析，CYP93E1 表现出
β-香树脂醇-24-羟化酶和槐花二醇-24-羟化酶的双
重活性，催化产物分别为大豆皂醇 B 和齐墩果-12-
烯-3β, 24-二醇（图 1）。CYP93E1 对 C-24 位甲基的
氧化具有区域专属性，不参与 C-22 位的羟基化，特
异性地催化 3-羟基-12-齐墩果烯结构的氧化。
表 1 参与三萜皂苷生物合成的植物细胞色素 P450
Table 1 Cytochrome P450 involved in triterpenoid saponin biosynthesis
P450 植 物 功 能
CYP93E1 大豆 β-香树脂醇-24-羟化酶和槐花二醇-24-羟化酶
CYP51H10 燕麦 尚未明确
CYP88D6 甘草 β-香树脂醇-11-氧化酶
CYP93E3 甘草 β-香树脂醇-24-羟化酶
CYP93E2 蒺藜苜蓿 β-香树脂醇-24-羟化酶
CYP716A12 蒺藜苜蓿 β-香树脂醇-28-氧化酶
CYP72A154 甘草 11-羰基-β-香树脂醇-30-氧化酶

HO
R
HO
HOH2C
R
R=H β-香树脂醇
R=OH 大豆皂醇
R=H 齐墩果-12-烯-3β, 24-二醇
R=OH 大豆皂醇 B
CYP93E1
24

图 1 参与齐墩果烷型皂苷生物合成的 CYP93E1
Fig. 1 CYP93E1 involved in oleanane saponin biosynthesis
2.2 燕麦 CYP51H10
燕麦根皂苷是在燕麦根的表皮细胞中合成
的[35]。其主要皂苷成分燕麦根皂苷 A-1 在紫外灯
下有很强的荧光性，并且可在细胞中直接观察到，
这是其区别于其他三萜类成分的特性。通过燕麦根
中荧光性的变化可有效地分离燕麦根皂苷缺陷突
变体[30,35]。而皂苷缺陷突变体的获得将有利于皂苷
合成相关基因的克隆及合成通路的阐明。在燕麦
中，针对皂苷缺陷突变体的遗传分析显示，这些基
因呈现出群聚性[36]。由于这类基因簇涵盖了大部
分与燕麦皂苷合成相关的基因[37-38]，故针对性地深
入研究有望阐明燕麦皂苷的生物合成机制。Qi 等[30]
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对燕麦根皂苷缺陷突变体 Sad2 进行了研究，表明其
是一种细胞色素 P450 酶 CYP51H10。CYP51H10
催化 β-香树脂醇转换为燕麦根皂苷[30,39]（图 2），其
表达仅局限于根尖表皮细胞[30]，这一结果恰与燕麦
根皂苷 A-1 的合成部位一致。然而，CYP51H10 介
导的具体生化反应仍需进一步实验阐明。
2.3 甘草 CYP88D6、CYP93E3 和 CYP72A154
目前已证实参与甘草中三萜皂苷生物合成的细
胞色素 P450 有 CYP88D6、CYP93E3 和 CYP72A154
（图 3）。与大豆中的 CYP93E1 一样，CYP93E3 催化
β-香树脂醇的 24 位羟基化[31]。而 CYP88D6 具有 β-
香树脂醇-11-氧化酶活性，体内外实验表明该酶催化
β-香树脂醇经两步氧化反应先生成 11α-羟基-β-香树
脂醇，再生成 11-羰基-β-香树脂醇[31]。11-羰基-β-香
树脂醇是由 β-香树脂醇到甘草酸的中间体。而从 11-
羰基-β-香树脂醇到甘草酸的过程，目前已证明是由
CYP72A154 催化的 3 步氧化反应完成的[32]，尽管目
前尚不能完全排除在第 2 步和第 3 步氧化中其他酶
的参与。在酵母中异源表达结果显示 CYP72A154
催化 11-羰基-β-香树脂醇的 C-30 位氧化[32]。同时，
CYP72A154 可能在形成不同结构甘草三萜皂苷元
的过程中起到重要作用[32]。


图 2 参与燕麦根皂苷生物合成的 CYP51H10
Fig. 2 CYP51H10 involved in avenacin sapogenin biosynthesis

HO
CY
P8
8D
6
HO
HO
HO
O
HO
O
OH
HO
CHO
O
HO
COOH
O
HO
COOH
HO
OH
HO
OH
HO
HO
HOH2C
β -香树脂醇
11α-羟基-β−香树脂醇 11-羰基-β-香树脂醇 30-羟基-11-羰基-β-香树脂醇
30-醛基-11-羰基-β-香树脂醇30-羟基-β-香树脂醇 11α,30-二羟基-β-香树脂醇
11 -脱氧甘草次酸24 -羟基-β -香树脂醇
CYP88D6
CYP88D6
CY
P8
8D
6
CYP93E3
24
11
30
CYP72A154
CYP72A154
CY
P7
2 A
1 5
4
CY
P7
2A
15
4
甘草次酸
图 3 参与甘草皂苷生物合成的 CYP88D6、CYP93E3 和 CYP72A154
Fig. 3 CYP88D6, CYP93E3, and CYP72A154 involved in glycyrrhizin biosynthesis
HO
R
OH
O
O
O NHMe
O
H
α-L-Ara(1 )O
β-D-glu(1 2)
β-D-glu(1 4)
CYP51H10
β-香树脂醇 燕麦根皂苷 A-1
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组织表达特异性分析显示，CYP88D6 在根和匍匐
枝中表达，而在叶片和茎中检测不到[31]；CYP72A154
除叶片外在根、茎和匍匐枝中均有表达[32]。
2.4 蒺藜苜蓿 CYP716A12 和 CYP93E2
Carell 等[33]用激活标签法和定向诱导基因组局部
突变技术在蒺藜苜蓿中鉴定了参与溶血皂苷生物合
成的 CYP716A12。CYP716A12 缺陷突变体不能产生
溶血皂苷，只生成大豆皂苷。与非溶血性皂苷需 C-24
位羟基化所不同的是，溶血皂苷的合成需在 C-23 位
羟基化，同时 C-28 位羧基化，而 C-22 位不氧化[40]。
在酵母中异源表达实验证明，CYP716A12 催化 β-香
树脂醇 C-28 位氧化生成齐墩果酸（图 4）[33]。
Carell 等 [33]采用实时荧光定量 PCR 分析了
CYP716A12 在蒺藜苜蓿不同组织（叶、茎、根）和
不同生长阶段（花前期、花期、果期）的表达。结
果显示，基因在花中表达量最高，在果实中最低；
不同生长期基因在根中的表达水平均较高，且表达
量相对稳定；在叶片中，基因表达量在生长期明显
增加，在花期达到最高值。
此外，Naoumkina 等[41]通过对蒺藜苜蓿基因共
表达聚类分析表明，CYP93E2 参与皂苷的生物合
成。鉴于其与同为豆科植物中的 β-香树脂醇-24-羟
化酶 CYP93E1 和 CYP93E3 的高度同源性，认为
CYP93E2 也具有 β-香树脂醇-24-羟化酶活性，但具
体反应尚需实验验证。
2.5 其他
到目前为止，在植物中除了上述已验证参与三萜
皂苷生物合成的细胞色素 P450 酶以外，拟南芥
Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. 中 CYP705A5 和
CYP708A2参与2, 3-环氧鲨烯的环化产物三萜烯醇的
后修饰[42]，然而，文献中没有从三萜烯醇生成皂苷的
描述，也可能最终生成的是三萜环烯醚萜衍生物[43]。
在人参 Panax ginseng C. A. Meyer 中，推测人
参皂苷是由细胞色素 P450 催化达玛烯二醇 II 羟基
化生成的[27]。人参细胞色素 P450 催化达玛烯二醇
C-12 羟基化生成原人参二醇，催化原人参二醇 C-6
位羟基化生成原人参三醇[44-45]（图 5）。但目前尚未
有关于人参细胞色素 P450 酶基因克隆的报道。
HO
HO
COOH
HO
HOH2C
24-羟基-β-香树脂醇
齐墩果酸
CY
P71
6A1
2
CYP93E2
28
24
β-香树脂醇

图 4 参与溶血皂苷生物合成的 CYP716A12 和 CYP93E2
Fig. 4 CYP716A12 and CYP93E2 involved in hemolytic saponin biosynthesis

OH
HO
OH
OH
HO
OH
OH
HO
OH
达玛烯二醇Ⅱ 原人参二醇 原人参三醇
P450P450

图 5 参与人参皂苷生物合成的 P450
Fig. 5 P450 involved in ginsenoside biosynthesis
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3 结语
三萜皂苷广泛存在于自然界中，许多药用植物
中含有众多种类的单体皂苷。如人参中已分离三萜
皂苷单体 60 余种，三七中 70 多种，柴胡中将近 120
种[46]。不同单体皂苷的生物活性差异较大，因而，
研究多种单体皂苷的合成对调控药用成分生成具有
重要意义。植物细胞色素 P450 是植物中较大的酶
蛋白家族，参与植物体内多种物质如苯丙烷类、萜
类、生菁糖苷类、生物碱、植物激素等的生物合成。
到目前为止，已命名了 5 100 个植物细胞色素 P450
酶基因（http://drnelson.uthsc.edu/CytochromeP450.
html）。陆生植物细胞色素 P450 可分为 11 个簇
（clans），归为 2 类：单家族簇（CYP51、CYP74、
CYP97、CYP710、CYP711、CYP727、CYP746）和
多家族簇（CYP71、CYP72、CYP85、CYP86）[47]。
目前已验证参与三萜皂苷生物合成的细胞色素
P450 中，CYP93E1、CYP93E2 和 CYP93E3 来源于
CYP71 簇，CYP716A12 和 CYP88D6 归属于 CYP85
簇，CYP51H10 为 CYP51 簇，CYP72A154 为 CYP72
簇[48-49]。这些细胞色素 P450 并不局限于一个特
定的进化起源，而是源自距离较远的家族和簇系
统[50]。序列比对结果显示，除 CYP93E1、CYP93E2
和 CYP93E3 在氨基酸水平上的序列一致性较高外，
已知的参与三萜皂苷合成的细胞色素P450酶的相关
性较低。因而，从这些已知基因的特性来预测新基
因的功能仍具一定难度。特别是目前尚未有关于这
些酶晶体结构的描述，以及相应的蛋白结合位点的
详细阐释。故仍需进一步开展更多的植物细胞色素
P450 基因克隆及其表达调控研究，为阐明其在三萜
皂苷生物合成中的后修饰机制，并最终通过基因调
控实现不同单体皂苷的人工可控生产奠定基础[51]。
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