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Advances in studies on biosynthetic pathways of camptothecin and their synthases

喜树碱生物合成途径及其相关酶的研究进展



全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 9 期 2011 年 9 月

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喜树碱生物合成途径及其相关酶的研究进展
沈少华,刘姬艳,胡江琴,郦暄函,王利琳*
杭州师范大学生命与环境科学学院,浙江 杭州 310036
摘 要:喜树碱是我国特有植物喜树中分离得到的具有显著抗癌活性的重要次生代谢产物,利用生物技术大量生产喜树碱类
抗癌药物是目前研究的热点。喜树碱生物合成途径是多酶催化的复杂过程,阐明喜树碱的生物合成机制,对应用代谢工程的
策略调控代谢流量,使次生代谢朝喜树碱合成的方向进行至关重要。喜树碱有着与其他萜类化合物相同的上游合成途径,以
及广泛的药物来源,因此弄清喜树碱合成机制对理解整个植物次生代谢的网络调控也具有重要意义。综述喜树碱的生物合成
途径、相关酶及其表达调控,并对喜树碱的合成研究进行展望。
关键词:喜树碱;喜树;关键酶;生物合成途径;次生代谢
中图分类号:R282.1 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2011)09 - 1862 - 07
Advances in studies on biosynthetic pathways of camptothecin and their synthases
SHEN Shao-hua, LIU Ji-yan, HU Jiang-qin, LI Xuan-han, WANG Li-lin
School of Life and Environment Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China
Key words: camptothecin (CPT); Camptotheca acuminata Decne.; key enzyme; biosynthetic pathway; secondary metabolism

喜树碱(camptothecin,CPT)属于萜类吲哚生
物碱,由 Wall 等 [1]首次从我国特有物种喜树
Camptotheca acuminata Decne. 的茎部分离纯化得
到。1985 年,Hisang 等[2]发现喜树碱能通过特异性
地阻断拓扑异构酶 I(topoisomerase I,Topo I)的合
成抑制癌细胞增殖,区别于以往对拓扑异构酶 II
(topoisomerase II,Topo II)为靶点进行攻击的抗癌
药物,因而备受关注。研究表明,喜树碱及其衍生
物单独或是结合铂化物等对实体瘤、乳腺癌、肺癌、
结肠癌和直肠癌等多种恶性肿瘤均有良好疗效[3-6]。
目前已有两种水溶性的喜树碱衍生物拓朴替康
(Topotecan)和依诺替康(Irinotecan)获得美国 FDA
批准用于临床,治疗卵巢癌和结肠癌等[7]。
尽管喜树碱广泛分布于喜树的各器官中[8],但
喜树碱及其衍生物在喜树中的量却很低[9],且喜树
在我国的野生资源十分有限(1999 年,喜树被林
业部列入第一批国家重点保护野生植物名录,属于
国家 II 级重点保护野生植物),大量采伐势必带来
严重的生态环境问题。目前全世界喜树碱年产量仅
为 600 kg,远远不能满足市场需求[10],致使其价
格昂贵。研究人员已开始对喜树碱代谢合成途径及
相关酶进行探索,试图找出快速而针对性强的喜树
碱合成方法。喜树碱的生物合成途径是一个复杂、
多步骤的过程。对其相关催化酶以及酶基因的研
究,是实现喜树碱定向调控的关键之一。喜树碱合
成过程中会产生部分其他生物碱共同的中间代谢
产物(如异胡豆苷),因此对喜树碱的研究同样也
可以为其他植物次生代谢合成途径的调控提供参
考。本文综述了喜树碱生物代谢合成途径及相关酶
的最新研究进展。
1 喜树碱生物合成途径
喜树碱是单萜吲哚类生物碱,其化学结构见图
1。萜类吲哚生物碱具有普遍的前体物质异胡豆苷。
异胡豆苷是由色胺(tryptamine)与裂环马钱子苷
( secologanin)在异胡豆苷合成酶( strictosidine-
synthase,STR)的催化下生成的。如果将喜树碱生
物合成途径以异胡豆苷的生成为分界线,可以分为
上游途径和下游途径。但到目前为止,从异胡豆苷
到喜树碱的生物合成这一下游途径还不清楚。图 2
所示喜树碱的合成过程[8,11-13],带虚线箭头表示出现

收稿日期:2011-03-07
基金项目:浙江省科技计划资助项目(2008C33050);杭州市科技计划资助项目(2006831H04)
作者简介:沈少华(1984—),男,江西九江人,硕士研究生,主要从事植物次生代谢的分子调控研究。
Tel: (0571)28865329 E-mail: ssh19841102@163.com
*通讯作者 王利琳 Tel: (0571)28865329 E-mail: wang_208@163.com
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 9 期 2011 年 9 月

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图 1 喜树碱的化学结构
Fig. 1 Chemical structure of CPT

IPI-异戊烯基二磷酸异构酶 GPPS-香叶基二磷酸合酶 G10H-
香叶醇-10-脱氢酶 10-HGO-10-羟基香叶醇氧化还原酶 SLS-列
马钱子苷合成酶 TSB-色氨酸合成酶 β 亚单位 TDC-色氨酸脱
羧酶 STR-异胡豆苷合成酶
IPI-isopentenyl diphosphate isomerase GPPS-geranyl diphosphate
synthase G10H-geraniol-10-hydroxylase 10-HGO-10-hydroxy-
geraniol oxidoreductase SLS-seelognain synthase TSB-tryptophan
synthase β-subunit TDC-tryptophan decarboxylase STR-strictosidine
synthase
图 2 喜树碱生物合成途径
Fig. 2 Biosynthetic pathway of CPT
的多步反应,其中涉及的部分中间代谢物和相关酶
还不清楚。
喜树碱合成的上游途径是由吲哚途径和萜类途
径共同组成的,早期萜类被认为仅由甲羟戊酸途径
(mevalonate pathway,MVA)合成,但后来证实萜
类可通过两条途径分别合成,即位于细胞质中的
MVA 途径和位于质体中的脱氧木酮糖-5-磷酸途径
(1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate pathway,DXP)或
称甲基赤藓醇 4-磷酸途径(methylerythritol 4-
phosphate pathway,MEP)。萜类途径大体上分为 3
个阶段,即中间体异戊烯基焦磷酸( isopentenyl
pyrophosphate,IPP)及双键异构体二甲基烯丙基焦
磷酸(dimethylallyl pyrophosphate,DMAPP)的生成、
直接前体物质的生成和萜类生成及其修饰阶段[11]。
萜类合成的两条独立途径主要差别在于萜类合成
IPP 和 DMAPP 的合成机制、形成的代谢终产物以
及存在于植物细胞中的位置[12]。图 3 所示喜树萜类
部分生物合成途径[11-13]。
吲哚途径即莽草酸途径,为喜树碱合成提供吲
哚部分,广泛存在于植物、藻类、细菌、真菌以及
原核生物中,不但为生物体蛋白质合成提供芳香族
氨基酸,同时也为很多种植物次生代谢物的生物合
成提供前体物质[13]。
2 喜树碱生物合成途径中的相关酶的研究
截至目前,在已阐明的喜树碱的生物合成途径
中,通过基因工程手段已成功分离得到多种与喜树碱
代谢合成途径相关的酶,并克隆得到了多种相关酶基
因,如 tsb、tdc、hmgr 等。随着研究的深入,新的关
键酶基因不断地被发现,如最近从喜树中克隆得到的
羟甲基戊二酰 CoA 合成酶基因 CaHMGS[14],对阐明
喜树碱合成途径具有重要的意义。表 1 列出已克隆
得到的与喜树碱合成相关的部分关键酶基因。
2.1 HMGR
HMGR(3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A
reductase)是 MVA 途径中的重要酶,催化 HMG-CoA
不可逆地形成 MVA,因而被认为是 MVA 途径中的
第 1 个限速酶,也是细胞质萜类代谢中的重要调控
位点。1986 年 HMGR 被分离提纯,为一种与膜结合
的疏水蛋白质,相对分子质量 1.8×105,共有 4 个亚
基,相对分子质量均为 4.5×104。HMGR 基因家族
中的 3 个基因 hmg 1、hmg 2 和 hmg 3,在喜树幼苗
各组织中的 mRNA 表达量具有很强的组织特异性。
hmg 1 和 hmg 3 可能与喜树碱的合成有关,伤害和茉
异戊烯焦磷酸
二甲基烯丙基焦磷酸
香叶基焦磷酸
香叶醇
10-羟基香叶醇
马钱子苷
色氨酸
色氨
GPPS
10-HGO
STR
裂环马钱子苷
SLS
TSB
G10H
TDC
异胡豆苷
直夹竹桃啶苷
脱氧山松醇苷
喜树碱
山松醇苷
IPI
萜类途径
吲哚途径
(莽草酸途径)
吲哚 L-丝氨酸
CH3
CH2
OH
O N
N O
O
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AACT-乙酰乙酰 CoA 硫解酶 HMGS-羟甲基戊二酰 CoA 合成酶 HMGR-羟甲基戊二酰 CoA 还原酶 MK-甲羟戊酸激酶 PMK-磷酸甲羟戊
酸激酶 MPD-MVA 焦磷酸脱羧酶 DXS-1-脱氧木酮糖 5-磷酸合酶 DXR-1-脱氧木酮糖 5-磷酸盐还原异构酶 CMS-4-二磷酸胞苷-2-C-甲基-D-
赤藓醇合酶 CMK-4-二磷酸胞苷-2-C-甲基赤藓糖激酶 MCS-2-甲基赤藓糖-2, 4-环二磷酸合酶 HDS-1-羟基-2-甲基-2-(E)-丁烯基 4-二磷酸
合酶 IPK-异戊烯基单磷酸激酶
AACT-acetoacetyl-CoA thiolase HMGS-3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase HMGR-3-hydroxy 3-methylgutary-CoA reduetase MK-
mevalonate kinase PMK-phosphomevalonate kinase MPD-mevalonate pyrophosphate decarboxylase DXS-1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate
synthase DXR-1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase CMS-4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol synthase CMK-4-diphos-
phocytidyl-2-C-methyl-D-erythritolkinase MCS-2-C-methyl-D-erythritol-2, 4-cyclodiphosphate synthase HDS-1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl
4-diphosphate synthase IPK-isopentenyl monophosphate kinase
图 3 喜树碱萜类部分生物合成途径
Fig. 3 Biosynthetic pathway of CPT (monoterpenoid part)
莉酸甲酯(MeJA)可诱导 hmg 1 的表达,而不能调
控 hmg 2、hmg 3 的表达。Bidle 等[22]证明 HMGR 的
表达在转录水平上受环境盐分高低调控。
随着对 HMGR 研究的深入,最近在播娘蒿[23]、
银杏[24]等植物以及米黑根毛霉[25]中克隆得到了该
基因。近期又从喜树中克隆得到了喜树碱合成途径
中重要基因 hmgs,该基因催化 MVA 途径乙酰乙
酰-COA 合成 3-羟基-3-甲基戊酰-COA(HMGR 作
用前体)。喜树 hmgs 不是组成型表达基因,受茉
莉酸甲酯和水杨酸等外源诱导子诱导表达,对
hmgs 基因的研究有利于阐明喜树碱的合成机制。
2.2 TSB 和 TDC
在喜树碱的生物合成中,TSB( tryptophan
synthase β-subunit)催化吲哚和丝氨酸合成色氨酸,
IPK IPK
IPI IPI
MPD
MEP/DXP(质体途径) MVA(细胞质途径)
丙酮酸+3-磷酸甘油醛(GA-3P)
5-磷酸脱氧木酮糖(DXP)
2-磷酸-2C-甲基赤藓糖醇 4-胞苷焦磷酸(CDP-MEP)
2 乙酰-CoA
2C-甲基赤藓糖醇 4-胞苷焦磷酸(CDP-ME)
2C-甲基 4-磷酸-4D-赤藓糖醇(MEP)
乙酰乙酰-CoA
2C-甲基赤藓糖醇 2,4-环焦磷酸(ME-cPP)
3-羟基-3-甲基戊二酰- CoA (HMG-CoA)
1-羟基-2-甲基-2-丁烯-4-焦磷酸(HMBPP)
甲羟戊酸(MVA)
CMS
单萜类(提供喜树碱萜类部分)
CMK
磷酸甲羟戊酸(MVAP)
异戊烯焦磷酸(IPP)
MK
焦磷酸甲羟戊酸(MVAPP)
HDS
MCS
DXS
DXR
异戊烯焦磷酸(IPP) 二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP) 二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)
异戊二烯
HMGR
HMGS
ATOT/AACT
PMK
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表 1 已克隆喜树碱生物合成途径中相关基因
Table 1 Cloned gene associated with CPT biosynthetic pathway
基 因 编码酶 物种来源 主要功能及表达特点 GenBank 登录号
tsb[15] TSB 喜树 与 CPT 积累有关,在微管组织表达活跃 AF042320(mRNA)
AF042321(DNA)
tdc1[16] TDC 喜树 受发育调控,与 CPT 积累有关 U73656
tdc2[16] TDC 喜树 受胁迫诱导,MeJA、真菌诱导子可诱导 U73657
hmgs[14] HMGS 喜树 MeJA 和 SA 可诱导 EU677841
hmg1[17] HMGR 喜树 伤害和 MeJA 可诱导 L10390
hmg2[18] HMGR 喜树 主要在表皮表达 U72146
hmg3[18] HMGR 喜树 发育中与 HCPT 积累相关 U72145
CaDXR[19] DXR 喜树 MeJA 可诱导,促进萜类代谢物合成 DQ355159
OpSTR[20] STR 短小蛇根草 受诱导子和生长素的调节 AB060341
OjSTR[21] STR 日本蛇根草 组成型表达,诱导子可诱导 EU670747
hgo[4] 10-HGO 喜树 AY342355

同时提供喜树蛋白质合成和吲哚生物碱合成所需的
色氨酸,被认为是初生代谢和次生代谢的连接点。
Lu 等[15]从喜树中克隆出了色氨酸合成酶 tsb 基因,
表达分析表明,TSB 基因在喜树各个器官中均能表
达,在微管组织和喜树幼苗发生早期尤为活跃,而
在生长早期的喜树幼苗喜树碱量很高,暗示该基因
的表达与喜树碱的合成有关。另有报道在培养基中
添加一定量的喜树碱前体物色氨酸能有效提高喜树
培养细胞中喜树碱的量[26];色氨酸是 TSB 的直接产
物,由此可知,提高 TSB 表达量可以有效提高喜树
碱量,与前者结论一致。
TDC(tryptophan decarboxylase)提供催化色
氨酸形成喜树碱及其衍生物的吲哚环所需要的色
胺。由于 TDC 所催化的反应连接了初生代谢和次
生代谢,因此也是单萜吲哚生物碱生物合成的关键
酶。目前从喜树中分离了 2 个 TDC 基因 tdc1 和
tdc2[16],它们在大肠杆菌中均能得到有效表达,且
表达的产物均能将 TDC 转变成色胺。tdc1 受发育
调控,在茎尖、幼茎和树皮中表达水平最高;tdc2
受胁迫诱导,能被真菌诱导子和茉莉酸甲酯诱导表
达,但不影响 tdc1 的表达。将 TDC 基因分别转入
水稻中,使其过表达,结果显示,水稻叶片和种子
中血清素的量显著提高,而血清素是植物次生代谢
产物中抗毒素的前体[27],表明 TDC 过表达能有效
促进植物次生代谢物的积累。孙世芹等[28]对喜树
幼苗 TDC 进行了分析,茎皮中 TDC 活性最高而喜
树碱积累却不是最高,说明 TDC 活性与喜树碱的
分布缺乏对应性。然而对喜树各器官 TDC 表达量
进行分析,发现在喜树的根部能检测到喜树碱,但
并没有检测到相关酶的活性,证明喜树根部并不涉
及喜树碱的合成,并认为喜树碱合成需依赖于茎和
叶中不同类型的细胞的共同作用以及借助细胞间
隙来运输[29]。这也为 TDC 表达活性与喜树碱分布
缺乏对应做了更好地解释。
2.3 DXS 和 DXR
DXS和DXR是细胞质体中MEP途径中最先起
作用的 2 个关键酶,参与该途径中的 2 个限速反应。
前者是催化丙酮酸和 3-磷酸甘油醛生成 DXP,再
在 DXR 的催化作用下,DXP 经过分子内重排和还
原反应生成 MEP。增加 DXS 的量会促进质体类异
戊二烯的生成量,研究还发现额外添加脱落酸
(ABA)会显著增加 DXS 表达[19],说明添加 ABA
会对喜树碱上游合成类异戊二烯有促进作用,从而
对喜树碱合成产生影响。目前还没有关于喜树 DXS
基因克隆研究的报道。
Yao 等[30]从喜树中克隆到 DXR 基因 CaDXR,
系统发育分析表明 CaDXR 较其他物种的 DXR 原
始。表达分析显示 CaDXR 在茎中表达量很高,而
在根和叶片中表达微弱,该基因可被外源诱导子茉
莉酸甲酯诱导表达,原核表达显示该基因能促进类
异戊二烯合成。关于 DXR 的作用及其机制还不是
很清楚,目前在其他物种中也分离出了该基因。
Carretero-Paulet等[31]发现降低DXR的表达量会降低
色素量,不利于叶绿体生成。在 DXR 过量表达的转
基因系中表现出代谢物,如叶绿素、类胡萝卜素和
紫杉二烯等的积累量增加。此外改变 DXR 水平并不
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会导致 DXS 的表达量或酶的积累量发生改变[28],因
此对该类关键酶基因进行功能分析对研究植物代谢
合成途径及利用代谢工程方法提高代谢物产量具有
重要意义[32]。
2.4 香叶醇-10-脱氢酶(G10H)
G10H(geraniol-10-hydroxylase)是一种细胞色
素 P450 氧化酶,它可以催化香叶醇生成 10-羟基-香
叶醇,此反应是生成马钱子苷的第一个专属步骤。
G10H 在裂环马钱子苷(secologanin)的形成过程中
起关键性的调控作用,在长春花的研究中发现裂环
马钱子苷的生成是萜类生物碱产量的限制因子之
一,尽管有关 G10H 在喜树碱合成中作用还未见报
道[13],但长春花中该酶作用的研究对喜树碱生物合
成途径的相关研究依然有很好的借鉴意义[9]。王伟[14]
将长春花关键基因 G10H 及 STR+G10H 转化到喜树
毛状根中,结果显示前者对喜树碱的积累未产生影
响,与对照组相比无显著差异,而后者则显著提高
了喜树毛状根中喜树碱的量,可能是因为 STR 和
G10H 同时打破了喜树碱生物合成瓶颈,使代谢流向
喜树碱,表明喜树中各关键酶基因协同作用,共同
促进喜树碱等代谢产物积累。
2.5 STR
STR(strictosidine synthase)是萜类生物碱合成的
最重要的酶,它能催化由莽草酸途径得到的色胺与由
甲羟戊酸途径经多步反应生成的裂环马钱子苷结合
形成异胡豆苷。目前尽管在喜树中还没克隆到 STR
基因,但已经从甘蓝型油菜[33]、长春花、马钱子,以
及在能生产喜树碱及其衍生物的短小蛇根草[20]和日
本蛇根草[21]等植物中成功地克隆得到该基因,为喜树
STR 基因研究提供了理论基础。
3 展望
喜树碱及其衍生物以其独特的抗癌机制受到国
内外广泛的关注,尤其是基因组学、蛋白质组学和
代谢组学等现代生物技术的产生和应用,为喜树次
生代谢研究注入了新的活力。此外,喜树碱有比其
他抗癌药更广阔的药物来源,如在马比木、青脆枝、
日本蛇根草和短小蛇根草等植物中也可得到喜树
碱,因而对喜树碱类抗癌药物的开发研究充满广阔
前景。
研究表明 MeJA 激活萜类合成基因的过程是通
过 ORCA 转录因子来实现的,它们能和代谢途径中
相关酶基因(如 dxs、str、tdc)的启动子相结合增
强它们的表达,在萜类代谢中起着中心调控作用[34],
而关于转录因子在喜树次生代谢中的作用研究很
少。另外,关于喜树碱的分解代谢的研究还没有引
起足够的重视[13],对于任何抑制喜树碱降解的操作
都将可能导致其代谢产物的大量积累,这些都是值
得今后深入研究的。喜树碱生物合成途径是一条复
杂的多酶催化过程,其中涉及的许多相关酶尚未得
到分离鉴定,他们在喜树碱的生物合成途径中是否
发挥关键作用还需深入研究。因而,阐明喜树碱的
生物合成机制,对应用代谢工程的策略调控代谢流
量,使次生代谢朝喜树碱合成方向进行至关重要。
喜树碱有着与其他萜类化合物相同的上游合成途
径,以及广泛的药物来源,因此弄清喜树碱合成机
制对理解整个植物次生代谢的网络调控也具有重要
意义。
有报道显示诱导植物细胞发生超敏反应能有效
促进次生代谢物的积累,可能是由于超敏反应触发
了植物细胞中的次生代谢信号转导途径,并依赖特
定的信号转导途径介导植物次生代谢产物的生物合
成[35]。这为研究喜树碱生物合成指明了一条新的方
向。生物信息学技术的广泛运用[36],为深入研究相
关酶的功能及其催化机制提供有力帮助[37]。此外,
已在喜树发根培养以及通过分离高产喜树碱内生菌
种提高喜树碱的量方面取得了喜人的成绩[38-40],为
进一步阐明喜树碱合成途径提供良好的材料来源和
理论指导。随着现代分子生物技术和细胞培养技术
的快速发展,相信很快能阐明喜树碱合成途径,定
向调控喜树碱的代谢合成,从而实现喜树碱工业化
稳定生产。
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《现代药物与临床》杂志征稿与征订启事

《现代药物与临床》杂志(CN12-1407/R,ISSN 1674-5515)是国家级医药科技期刊,天津市一级期刊,2009 年 1 月由
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国期刊全文数据库、中国核心期刊(遴选)数据库等收载。为了进一步提高期刊质量,2010 年出版的《现代药物与临床》
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