全 文 ：植物Ⅲ型聚酮合酶的研究进展¹
张　萍,陈国神
(浙江省医学科学院药物所,浙江 杭州　310013)
摘　要:综述了近 10 年来从植物中克隆、鉴定的Ⅲ型聚酮合酶( PKS)的研究进展。Ⅲ型 PKS 即查耳酮合酶超家族,
能催化生成一系列结构各异、具有不同生理活性、具有查耳酮合酶( CHS)基本骨架的植物次生代谢产物, 对这些
PKS 的基因进行调控可用于合成一些难以化学合成的新型天然化合物。目前, 国内对Ⅲ型 PKS 在药学领域的应用
研究甚少, 此研究对于活性成分的生物合成具有重要意义。
关键词: Ⅲ型聚酮合酶( PKS) ;生物合成; 查耳酮合酶
中图分类号: R282. 12　　　文献标识码: A　　　文章编号: 0253- 2670( 2008) 02- 0309- 05
Advances in studies on type Ⅲ polyketide synthases from plants
ZHANG Ping, CHEN Guo-shen
( Institute of M ater ia Medica, Zhejiang Academy o f Medical Sciences, Hangzhou 310013, China)
Key words : type Ⅲ po lyket ide synthases ( PKS) ; bio synthesis; chalcone synthase ( CHS)
　　聚酮化合物是一类含有由碳、氧原子构成的大环结构的
次生代谢产物, 广泛分布于生物界, 具有抗菌、抗肿瘤、抗寄
生虫和免疫抑制等药理活性[ 1]。聚酮化合物通常在聚酮合酶
( po lyketide synthase, PKS)的作用下生成。根据蛋白的结构
可将 PKS 分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型[ 2～7]。其中Ⅰ、Ⅱ型 PKS 仅存在
于微生物界; Ⅲ型 PKS 即查尔酮合酶( chalcone synthase,
CHS)超家族, 主要分布于植物界, 但也存在于微生物界。Ⅲ
型 PKS 能催化生成一系列结构各异、具有不同生理活性、含
CHS 基本骨架的植物次生代谢产物(如查耳酮、二苯乙烯、
苯甲酮、吖啶酮、间苯三酚、间苯二酚、吡喃酮、苯并-C-吡喃
酮等) [8]。由于其独特的结构、作用机制、催化活性, PKS 的研
究在过去 10年备受瞩目。许多能催化形成不同产物的 PKS
不断地被发现和鉴定。对这些 PKS 的基因进行调控可用于
合成一些难以化学合成的新型化合物[ 9～14]。本文就植物Ⅲ
型 PKS 的研究进展进行综述。
1　目前已发现的植物Ⅲ型 PKS
近几年来, 一系列功能不同的植物Ⅲ型 PKS 不断被克
隆和鉴定, 如 CHS、 合酶 ( st ilbene synthase, STS) [15～17]、
吡喃酮合酶 ( 2-py rone synthase, 2-PS ) [ 18, 19]、苯甲酮合酶
( benzalacetone synt ha se , BAS ) [ 20]、芦荟松合酶 ( alo esone
synthase, ALS ) [ 21]、吖 啶 酮 合 酶 ( acridone synthase,
ACS) [ 22]、聚五酮色原酮合酶 ( pentaketide chromone syn-
thase, PCS) [ 23]、聚八酮合酶( octaketide synthase, OKS) [24]
等, 其氨基酸序列相似性达 60%～75%。
1. 1　CHS、ST S: CHS 广泛存在于多种植物中, 目前已从苔
藓、蕨类、裸子植物和被子植物中克隆了约 1 000 个 CHS 基
因,涉及的主要有豆科的苜蓿、大豆、豌豆, 十字花科的拟南
芥,禾本科的水稻、玉米, 葡萄科的葡萄, 碧冬茄属的矮牵牛
等。CHS 基因编码 400多个氨基酸,相对分子质量为 4. 2×
104。作为类黄酮生物合成的关键酶, CHS 以 p -香豆酰辅酶
A 作为起始底物,经 3分子的丙二酰辅酶 A 缩合,经 Claisen
型环化反应,生成含一个新芳香环系统的聚四酮 4, 2′, 4′, 6′-
四羟基查耳酮。
ST S 被认为是植物在进化过程中从 CHS 基因进化而来
的, 彼此之间有 65%以上的氨基酸同源序列。目前已从松
树、花生、葡萄等植物中克隆得到。STS 基因可分为两种类
型:一类是以 p -香豆酰辅酶 A 作为起始底物, 经 3 分子的丙
二酰辅酶 A 缩合, 生成白藜芦醇 ( r esver atr ol, 3, 4′, 5-
t rihydr oxy-stilbene) ;另一类是以肉桂酰辅酶 A( cinnamoy l-
CoA ) 作为起始底物, 经丙二酰辅酶 A 缩合, 生成赤松素
( pinosylvin)。葡萄、花生等植物中的 STS 属于前一种类型,
而存在于苏格兰赤松和东方白松等的 STS 属于后一种类
型。CHS 和 ST S 的催化反应见图 1。
1. 2　2-PS: 从观赏植物雏菊 Gerbera hybrida 中克隆得到,
以乙酰辅酶 A 作为起始底物, 经 2 分子的丙二酰辅酶 A 缩
合,生成三乙酸内酯( TAL ) [ 18, 19]。催化反应见图 2。
编码 G . hybr id a 2-PS 的 cDNA 所含开放阅读框为 1
206 bp, 编码 402 个氨基酸, 蛋白相对分子质量为 43 749,与
其他植物来源的 CHS 超家族酶比较, 氨基酸序列相似性在
60%～70%。G . hybrida 2-PS 保留了所有Ⅲ型 PKS 酶中均
高度保守的催化活性中心 Cys164、His303、Asn336, 然而
CHS 活性位点残基 Thr197、Gly256、Ser338(Medicago sati-
·309·中草药　Chinese Traditional and Herbal Drugs　第 39卷第 2期 2008 年 2月
¹ 收稿日期: 2007-05-28作者简介:张　萍( 1976—) ,女,浙江浦江人,助理研究员,硕士,主要从事中药及天然药物、中药生物技术等领域的研究工作。
T el: ( 0571) 88215630　E-mail: s al ly7612@ 163. com
va CHS 中的氨基酸位置数)相应地被 Leu、Leu、I le 所替代。
1. 3　ACS: 从芸香科植物芸香Ruta g raveolens L . 中克隆得到,
以N -甲基邻氨基苯酰辅酶A 作为起始底物,经 3分子的丙二酰辅
酶A 缩合,生成 1, 3-二羟基-N-甲基吖啶酮[ 22]。催化反应见图3。
　　编码 R . grav eolens ACS 的 cDNA 所含开放阅读框为
1 173 bp, 编码 391 个氨基酸,蛋白相对分子质量为 42 681,
与其他植物来源的 CHS 超家族酶比较,氨基酸序列相似性
在 60%～70%。R . graveolens ACS 保留了在所有Ⅲ型PKS
酶中均高度保守的催化活性中心 Cys164、His303、Asn336。
研究发现, Ser132、Ala133、Val265 为其活性位点残基, 分别
被 Thr132、Ser133、Phe265(M . s ativa CHS 中的氨基酸位置
数)相应的替代后, 功能上完全转变为 CHS 的活性[ 25]。
1. 4　BAS: 从蓼科植物掌叶大黄 Rheum palmatum Linn. 中
克隆得到, 它能催化 1 分子 p -coumaroy l-CoA 作为起始底
物,经 1 分子的丙二酰辅酶 A 缩合, 脱羧, 形成 C6-C4骨架,
生成具有抗炎作用的苯乙烯基丙酮[ 21]。催化反应见图 4。
图 1　CHS或 STS催化反应
Fig. 1　Reaction catalyzed by CHS or STS
图 2　2-PS催化反应
Fig. 2　Reaction catalyzed by 2-PS
图 3　ACS催化反应
Fig. 3　Reaction catalyzed by ACS
图 4　BAS催化反应
Fig. 4　Reaction catalyzed by BAS
　　编码 R . palatum BAS 的 cDNA 所含开放阅读框为 1
152 bp, 编码 384 个氨基酸, 蛋白相对分子质量为 42 223, 与
其他植物来源的 CHS 超家族酶比较, 氨基酸序列相似性在
60%～75%。R . palatum BAS 保留了在所有Ⅲ型 PKS 酶中
均高度保守的催化活性中心 Cys164、His303、Asn336 (M .
sativa CHS 中的氨基酸位置数) , 但是缺少其他Ⅲ型 PKS 酶
保守的活性位点残基 Phe215。
1. 5　ALS:也是从蓼科植物掌叶大黄中克隆得到[ 22] , 其是首个
能催化6 分子的乙酰辅酶 A,经 aldol型环化, 羧基端去羧基后形
成 芦 荟松 ( alo esone, 2-acetonyl-7-hydroxy-5-methylchro-
mone )的植物特异性Ⅲ型PKS。芳香性聚七酮是中药植物抗免疫
剂芦荟苦素( alo esin)生物合成的先导物[ 21]。催化反应见图 5。
·310· 中草药　Chinese Traditional and Herbal Drugs　第 39卷第 2期 2008 年 2月
图 5　ALS催化反应
Fig. 5　Reaction catalyzed by ALS
　　编码 R . palatum ALS 的 cDNA 所含开放阅读框为 1
176 bp, 编码 391 个氨基酸, 蛋白相对分子质量为 43 343, 与
其他植物来源的 CHS 超家族酶比较, 氨基酸序列相似性在
50%～60%。R . p alatum ALS 保留了在所有Ⅲ型 PKS 酶中
均高度保守的催化活性中心 Cys164、His303、Asn336 与大部
分 CHS 活性位点残基 Met 137、Gly211、Phe215、Gly216、
Phe265 和 Pro375。然而 , CHS 活性位点残基 Thr197、Ile254、
Gly256、Ser338( M . sativa CHS 中的氨基酸位置数)相应地
被 Ala、Met、Leu、Thr 所替代。
1. 6　PCS :从百合科植物木立芦荟 A loe ar bor escens M ill. 中
克隆得到的新型Ⅲ型 PKS 酶,它能催化丙二酰辅酶 A 生成 5,
7-二羟基-2-甲基苯并-C-吡喃酮 ( 5, 7-dihydro xy-2-met hy l-
chromone) [23] ,后者是呋喃并色酮类止喘药kehellin 和齿阿米
素(甲氧呋豆素, visnag in)生物合成的先导物。催化反应见图6。
图 6　PCS催化反应
Fig. 6　Reaction catalyzed by PCS
　　编码 A . arborescens PCS 的 cDNA 所含开放阅读框为
1 212 bp, 编码 403 个氨基酸, 蛋白相对分子质量为 44 568,
与其他植物来源的 CHS 超家族酶比较,氨基酸序列相似性
在 50%～60%。A . arbor escens PCS 保留了大部分辅酶 A 结
合位点, 催化活性中心 Cys164、His303、Asn336 在所有Ⅲ型
PKS 酶中均高度保守, 与 Phe215、Phe265 一样, 活性位点残
基 Met 137、Gly211、Gly216、P ro375在 PCS 中也保守。A . ar-
borescens PCS 中, CHS 活性 位点残基 Thr197、Gly256、
Ser338相应地被 M et、Leu、Val所替代。
1. 7　OKS:也是从百合科植物木立芦荟中克隆得到[23] ,催化
丙二酰辅酶 A 生成 SEK4 和 SEK4b, 是目前单一的Ⅲ型
OKS 酶催化产生的最长聚酮[24]。催化反应见图 7。
图 7　OKS催化反应
Fig. 7　Reaction catalyzed by OKS
　　编码 A . arborescens OKS 的 cDNA 所含开放阅读框为
1 212 bp, 编码 403 个氨基酸, 蛋白相对分子质量为 44 568,
与其他植物来源的 CHS 超家族酶比较,氨基酸序列相似性
在 50%～60%。A . arbor escens OKS 保留了在所有Ⅲ型 PKS
酶中均高度保守的催化活性中心 Cys164、His303、Asn336 与
大 部分 CHS 活性 位点 残基 Met 137、Gly211、Phe215、
Gly216、Phe265 和 Pro375。然而, CHS 活性 位点 残基
Thr197、Gly256、Ser338相应地被 Gly、Leu、Val所替代。
2　催化作用机制
Ⅲ型 PKS 为同二聚物, 蛋白相对分子质量为 4×104～
4. 5×104。对其结晶构造解析和定点突变研究表明, 这些酶
均具有高度保守的 Cys-His-Asn 催化活性中心,催化聚酮合
成的机制为催化相关的辅酶 A (起始底物)在活性位点半胱
氨酸残基 Cys164 上结合, 经丙二酰辅酶 A 的一系列脱羧缩
合, 使得聚酮链延长, 随之酶中间产物的闭环和芳构化, 形成
复杂的天然产物(图 8) [14, 19]。
3　酶反应产物
Ⅲ型 PKS 的酶反应一般生成 3 种类型的产物: ( 1)完全
反应得到的酶反应产物; ( 2)经过 3 个缩合反应但不形成芳
香环的 CTAL 类型的吡喃酮旁支产物[ 4] ; ( 3)经过两个缩合
反应后得到的 BNY 类型的吡喃酮旁支产物[ 3]。后两者为酶
反应的副产物(图 9) [26]。
·311·中草药　Chinese Traditional and Herbal Drugs　第 39卷第 2期 2008 年 2月
图 8　Ⅲ型 PKS的催化作用机制
Fig. 8　Catalytic mechanism of type Ⅲ PKS
图 9　Ⅲ型 PKS的酶反应产物
Fig. 9　Enzyme reaction products of type Ⅲ PKS
　　Ⅲ型 PKS 的功能多样化源于起始底物的选择、聚酮链
延伸数目、环化反应的不同。同时, Ⅲ型 PKS 有广泛的底物
适用性, 可接受许多芳香族和脂肪辅酶 A 内酯作为底物, 得
到一系列化学和结构均不同的非天然聚酮[ 23, 24]。
4　三维结构
Ⅲ 型 PKS 具有高度保守的催化活性中心 ( Cys164-
His303-Asn336)。位于活性中心腔内的活性氨基酸残基有
Thr197、Phe215、Gly256、Ser338。这些氨基酸残基通过调控腔
内的空间大小决定了起始底物的选择性和聚酮链的长度[ 23]。
Phe215 位于活性位点腔与 CoA 结合通道之间,利于丙
二酰辅酶 A 脱羧 ,以及一系列缩合反应中适合的底物和中间
产物的进入[ 26, 27]。
Thr197 协同 Gly256、Ser338,在调控起始底物的选择性
和产物的特异性中发挥至关重要的作用。Thr197的立体空
间大小决定聚酮链的长度。紫苜蓿 Medicago sativa CHS 的
晶体结构中, Thr197 位于一延伸至活性位点腔底部的包埋
口袋的入口处。体积较大的 Gly256 通过构建活性位点腔来
调控起始底物的选择性[ 23]。
活性位点腔的形状和体积决定底物的选择性和产物的
链长[ 14]。不同功能的Ⅲ型 PKS, 其活性位点氨基酸残基略有
不同, 导致活性位点结构也略有不同。活性位点结构微小的
不同, 足以戏剧性地产生不同的产物[ 28]。
5　展望
在Ⅲ型 PKS 的作用下, 催化生成具有重要药理活性的
植物聚酮, 能从根本上解决药源问题,并应用于新药的开发。
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青蒿素产量影响因素的研究进展¹
范振涛1, 马小军2* ,张明庆1
( 1. 首都师范大学资源环境与旅游学院,北京　100037; 2. 中国医学科学院
中国协和医科大学药用植物研究所, 北京　100094)
摘　要: 青蒿素( ar temisinin)是抗疟特效药, 其原料植物黄花蒿 A r temisia annua 的生产是亟需解决的问题。从黄花
蒿的分布、种质资源, 以及气候因素、土壤条件、人工栽培措施、采集时间、采集方式等方面对影响青蒿素产量的因
素研究进行综述。不同地理环境中的青蒿素产量高低存在差异,气候、种质对其有影响,而土壤的影响则不显著;采
集方式以及人工栽培措施的改进, 可以提高青蒿素的量。并对今后研究方向予以展望。
关键词: 黄花蒿;青蒿素; 影响因素
中图分类号: R282. 2　　　文献标识码: A　　　文章编号: 0253- 2670( 2008) 02- 0313- 04
·313·中草药　Chinese Traditional and Herbal Drugs　第 39卷第 2期 2008 年 2月
¹ 收稿日期: 2007-04-05基金项目:广西壮族自治区科技厅资助项目(桂科攻 0663003)作者简介:范振涛( 1983—) ,男,北京平谷人,首都师范大学在读硕士研究生,主要从事地理学、物候学方面的研究。
E-mail: donaldvan@ sin a. com
* 通讯作者　马小军　Tel: ( 010) 62890692　E-mail: xjm a@ pub lic. b ta. net. cn