免费文献传递   相关文献

Advances in studies on biosynthetic pathway and biotechnology of ginkgolides

银杏内酯的生物合成途径及生物技术研究进展



全 文 :2 cel ls [ J] . Drug Dev Ind Phar m, 2005, 31( 4) : 397-404.
[ 2] Gao J, H ugger E D, Beck-Westermeyer M S, et al . Cur rent
Pr otocol s in P harmacology Estimation of Int est inal M ucosal
Pe rmeation of Comp ound s Using Caco-2 Ce ll Monolayer s
[ M ] . New York : J oh n W iley Sons, Inc, 2000.
[ 3] Walgren R A, Karnak y K J , Lindenmayer G E , et al . Ef f lux
of dietary f lavonoid guer cet in 4ø-B-g lucos ide acros s hum an
intes t inal Caco-2 cells m on olayers by apical m ult idrug
res istance ass ociated p rotein-2 [ J] . J Phar m E xp T her ,
2000, 37( 5) : 325.
[ 4] Hu M, C hen J, T ran D. T he Caco-2 cell m onolayers as an
intes t inal m etabolism m odel : metab ol ism of dipep tide Phe-
Pro [ J ] . J Dr ug Tar get , 1994, 2( 1) : 79-89.
[ 5] Hu M , Chen J , Lin H M. Metabol ism of flavonoids via
enteric recycling: mech anis t ic studies of disposit ion of
apig enin in the Caco-2 cell culture m odel [ J ] . J P harm E xp
The r, 2003, 307( 1) : 314-321.
[ 6] Chen J , Lin H M, Hu M. Metabol ism of flavonoids via
enteric recycl ing: Role of intes tin al dispos iti on [ J] . J P harm
Exp Ther , 2003, 304( 3) : 1228-1235.
[ 7] Richard A W , Walle U K, Walle T . T ransport of quer cet in
an d it s glucosides across hum an intes t inal epithelial C aco-2
cells [ J ] . B iochem P harm, 1998, 55: 1721-1727.
[ 8] Galijatovic A, Otake Y, Walle U K, et al . Induct ion of
UDP-g lucu ronosyl tr ans ferase UGT1A1 by the f lavonoid
chr ysin in C aco-2 cell s-potent ial role in carcinogen
bioinact ivat ion [ J] . Phar m R es, 2001, 18( 3) : 374-379.
[ 9] Vaidyanathan J B, Walle T. T ran sport and metabol ism of
the tea f lavonoid ( - ) epicatechin by the human in test inal cell
line C aco-2 [ J] . P harm Res, 2001, 18( 10) : 1420-1425.
[ 10] Middleton E Jr , Kandaswami C, T heoharides T C . T he
ef fects of plant f l avonoids of mammalian cell s: implicat ions
for inflammat ion, h eart diseas e, and can cer [ J] . A m Soc
Phar m E xp e T her , 2000, 52( 4) : 673-751.
[ 11] Zhu M, Yao T W , Zen g S. Glucuronidat ion and in v it ro
interact ion of Gin kgo f lavonoids w ith oth er drugs [ J] . J
Zhej iang Univ : Med S ci (浙江大学学报:医学版) , 2004, 33
( 1) : 15-20.
[ 12] Liu Y, Hu M. Absorpt ion and metabolism of f lavonoids in
the Caco-2 cell culture model and a perfused rat intest inal
m odel [ J] . Drug Me tab Disp, 2001, 30( 4) : 370.
[13] Oitate M , Nakaki R, Koyabu N, et al . T ranscellular
t ransport of g enis tein, a s oybean-derived is oflavone, acros s
h uman colon carcinoma cell l ine ( Caco-2 ) [ J] . B iop harm
Dr ug Disp , 2001, 22( 1) : 23-29.
[14] Chen J , Lin H M , Hu M . Absorpt ion and m etab olism of
genistein an d its five isof lavonon e an alog s in the human
in test inal C aco-2 model [ J] . Canc er Chem Phar m, 2005, 55:
159-169.
[15] Rich ard A W , Karl J R, George E L, et al . E ff lux of dietary
f lavonoid quercetin 4ø-B-glucos ide across human intest inal
Caco-2 cel l m onolayers by apical mult idru g resis tance-
ass ociated protein2 [ J] . J Phar m E xp T her, 2000, 294( 3) :
830-836.
[16] Wells U K, French K L , Walgren R A, et al . Tr ansport of
genistein-7-glu coside b y hum an intest inal C aco-2 cell s:
poteint ial role for M RP2 [ J] . Res Comm Mole Pathol
P harm, 1999, 103( 1) : 45-56.
[17] J ia X B, Chen J, Lin H M , et al . Disposit ion of f lavon oids
via en teric r ecycling: enzyme-t ran sporter couplin g af fect s
m etab ol ism of bioch anin A and formononet in and excret ion of
their phas e Ⅱ conjugates [ J] . J Pharm E xp T her , 2004,
310( 3) : 1103-1113.
[18] Paivi T , L eena L, Anna G, e t al. Perm eabilit y charac-
terist ics and membrane af f inity of f lavonoids and alk yl
gallates in Caco-2 cells an d in ph ospholipid ves icles [ J ] . Ar ch
B iochem B iop hy s, 2004, 425( 2) : 193-199.
[19] Chen J, Steven C H, Joshu a F A , et al . Potent ial benef icial
m etab ol ic interaction s betw een tam oxifen and isof lavon es via
cytochrome P450-mediated pathways in fem ale rat liver
m icrosomes [ J] . Phar m R es, 2004, 21( 11) : 2095-2104.
[20] J eong E J, Lin H M , Hu M . Disposit ion mechanisms of
Raloxifene in th e human intes t inal Caco-2 m od el [ J ] . J
P harm Exp The r, 2004, 310( 1) : 376-385.
[21] Wang R T , Zhou S Y, Mei Q B, e t al . Enzyme kinet ics of
genistein metabol ism in rat liver micr os omes [ J] . Chin J Cl in
P harmacol T her (中国临床药理学与治疗学) , 2005, 10( 3) :
294-297.
银杏内酯的生物合成途径及生物技术研究进展
刘万宏,陈 敏,廖志华* ,龚一富X
(西南大学生命科学学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715)
摘 要: 银杏内酯因其特殊的血小板活化因子拮抗作用成为当今天然产物研究的热点。综述了银杏内酯的合成部
位、生物合成途径及途径上已知的酶和基因;利用银杏愈伤组织和细胞悬浮培养生产银杏内酯的方法; 前体饲喂提
高银杏内酯产量和通过银杏遗传转化获取高产量银杏内酯的优质药源等相关研究。最后提出代谢工程策略是可能
解决银杏内酯药源缺乏的理想途径。
关键词: 银杏内酯;生物合成; 悬浮培养;遗传转化; 前体饲喂
中图分类号: R282. 1   文献标识码: A   文章编号: 0253 2670( 2007) 06 0941 05
Advances in studies on biosynthetic pathway and biotechnology of ginkgolides
LIU Wan-hong, CHEN M in, LIAO Zhi-hua, GONG Yi-fu
( Key Labor ato ry of Eco-envir onments, Three Gorges Reser vo ir Reg ion, M inistr y o f Education,
School of L ife Sciences, Southwest U niver sity , Chongqing 400715, China )
Key words: g inkgo lides; biosynthesis; suspension cultures; genet ic t ransformat ion; precursor feeding
·941·中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 38卷第 6期 2007 年 6月
收稿日期: 2006-11-07基金项目:国家自然科学基金资助项目:银杏内酯前体生物合成途径中关键酶基因的克隆与功能分析( 30500303)作者简介:刘万宏( 1979—)男,江西峡江人,研究方向为药用植物次生代谢工程。 E-mail: liuw anh@ swu . edu. cn
* 通讯作者 廖志华 Tel: ( 023) 68367146 E-mail: zh liao@ sw u. edu . cn
  银杏是著名的孑遗植物,出现在 2 亿年前,在冰川纪几
近灭种。目前野生银杏仅在我国幸存, 被称为“活化石”。银杏
含有多种药用次生代谢产物, 包括银杏内酯、白果内酯、黄酮
和黄酮苷等。这些成分广泛用于治疗和预防心血管疾病[1]。
早期研究认为银杏叶中量较高的黄酮类物质是有效成分; 随
着研究的深入, 越来越多的研究表明银杏中量很低的银杏内
酯才是真正的心血管疾病拮抗活性成分[ 2]。大量临床医学证
据表明银杏内酯是目前最好的血小板活化因子受体
( plat elet -activ ating fact or receptor ) 的天然专一 拮抗剂
( antag onist) , 也是治疗和预防心脑血管疾病的优良天然药
物。由于银杏是国家保护植物, 生长缓慢,资源非常有限, 而
银杏内酯量又非常低 (我国出产的优质银杏干叶中仅为
0. 06% ) [ 3] , 所以从天然银杏中提取银杏内酯远远不能满足
需求, 使其价格极为昂贵,高达 20 万美元/ kg。近年来, 开发
银杏内酯优质药源成为十分活跃的研究领域。本文就银杏内
酯合成部位、生物合成途径的分子生物学和生物化学,及生
物技术在银杏内酯生产中的应用做一系统综述。
1 银杏内酯合成部位
Furukawa 等首先是从银杏叶中分离到的 4 种萜类化合
物, 随后 Nakanishi等[ 4]和 Marayama 等[ 5]确定其结构为银
杏内酯 A ( ginkgolide A , GA )、银杏内酯 B ( ginkgolide B,
GB )、银杏 内酯 C ( g inkgo lide C, GC )、银 杏 内酯 M
( g inkgo lide M , GM)。银杏内酯是一类具有特殊 20碳结构
的二萜化合物, 仅在银杏中发现, 其合成具有高度的组织特
异性。Ca rtay rade 等[6]以银杏树苗为材料, 通过用14C 标记
CO2 示踪法发现带有标记的银杏内酯最先在根中检测到, 然
后是茎和叶, 表明根是银杏内酯的合成部位, 随后转运到叶
中储藏; 同时还揭示了 GA 是最先合成的内酯化合物, GA
通过羟基异构产生其他内酯化合物 GB、GC 和 GM。Neau
等[ 7]发现左旋海松二烯 ( lev opima radiene ) 和冷杉二烯
( abietadiene)等银杏内酯的前体物质仅能够在根中发现, 进
一步证明银杏内酯的合成部位是根。银杏内酯在根中生物合
成的高度组织特异性的确定为进一步开展银杏内酯生物合
成的分子机制和相关生物技术研究奠定了重要的基础, 在克
隆银杏内酯生物合成途径中的基因时, 就应该选择根作为材
料; 在离体培养银杏细胞生产银杏内酯时, 也要优先考虑根
作为起始材料或者以诱导的发根代替细胞作为生产银杏内
酯的组织。
2 银杏内酯前体生物合成途径
所有天然萜类化合物(包括银杏内酯)都来自于两个基
本 的 5 碳 通 用 前 体; 异 戊 烯基 焦 磷 酸 ( isopent eny l
dipho sphate , IPP ) 和其异构物二甲基烯丙基焦磷 酸
( dimethylally l diphosphate, DMAPP )。虽然植物萜类都来
源于 IPP 和 DMAPP, 但其生物合成却由两条截然不同的途
径完成: 一是经典的甲羟戊酸 ( mevalonate, MVA)途径; 另
一是新近发现的 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸 ( 2-C-methyl-
D-ery thrit ol-4-oho sphate , MEP )途径。这两条途径分别在
不同的亚细胞区域中进行: MVA 途径位于细胞质, M EP 途
径位于质体, 而且这两条途径所涉及到的基因和酶也完全
不同[8]。
在过去的几十年中, M VA 途径曾被认为是萜类前体生
物合成的唯一通用途径,直到 20 世纪 90 年代, 另一条独立
的萜类前体生物合成途径即 MEP 途径才首先在银杏中发
现[9] , 该发现阐明了银杏内酯的化学起源, 即作为二萜类的
银杏内酯是由位于质体的 MEP 途径提供 5 碳前体 IPP 和
DMAPP ;同时该研究为植物次生代谢研究开辟了一个崭新
的领域, 成为萜类生物合成的里程碑。随后关于 MEP 途径
的分子水平研究表明该途径定位于质体,其最初的前体物质
是丙酮酸 ( py ruvate )和 3-磷酸甘油醛 ( glycer aldehyde 3-
phosphate, G3P)。丙酮酸和 G3P 在经过依次由 1-脱氧-D-
木酮糖-5-磷 酸合 成酶 ( 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate
synt ha se , DXPS)、1-脱氧-D-S 木酮糖-5-磷酸还原异构酶
( 1-deoxy-D-xylulose 5-pho sphate r eductoisomerase,
DXR )、2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胱氨酰转移酶 ( M EP
cy tidyltr ansfer ase, MCT )、4-( 5ø-焦磷酸胞苷 ) -2-C-甲基-D-
赤藓 醇 激酶 [ 4-( cytidine 5ø-diphospho ) -2-C-methy l-D-
eryt hrit ol kinase, CM K]、2-C-甲基赤藓醇-2, 4-环焦磷酸合
成酶 ( 2-C-m ethylery thritol 2, 4-cyclodiphosphate synthase,
M ECPS )、羟 甲 基-丁 烯 基-4-磷 酸 合 成 酶 ( hydr oxy-
m et hylbuteny l 4-dipho sphate synthase, HDS)、羟甲基丁烯
基-4-磷 酸 还 原酶 ( hydro xymethy lbutenyl 4-diphosphate
r eductase, 又名异戊烯基焦磷酸/二甲基烯丙基焦磷酸合成
酶, IPP / DMAPP synt hase, IDS )催化的 7 步酶促反应后生
成 IPP 和 DMAPP [10] (图 1) , 为单萜、部分倍半萜和二萜生
物合成提供基本前体[11]。3 分子的 IPP 和 1 分子的 DMAPP
在香叶基香叶基焦磷酸合成酶 ( g erany lg erany l diphosphate
synt ha se , GGPPS)作用下缩合生成 20 碳的香叶基香叶基焦
磷酸( ger anylg eranyl dipho sphate , GGPP ) , 作为银杏内酯生
物合成的线性骨架[12] ; 随后 GGPP 在萜类环化酶——左旋
海松二烯合成酶 ( levopimaradiene synthase, LS )作用下生
成左旋海松二烯, 作为银杏内酯的环化骨架[13] ;随后通过一
系列的羟化和酰化等多步酶促反应生成银杏内酯。
图 1 银杏内酯生物合成途径
Fig. 1 Biosynthetic pathway of ginkgolides
·942· 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 38卷第 6期 2007 年 6月
3 银杏内酯前体生物合成途径中已经克隆的关键酶基因
近年来兴起的第二代基因工程——代谢工程技术是改
造代谢途径, 调控靶标天然产物合成的重要方法。而实现代
谢工程的前提是开展天然产物生物合成途径的研究,包括分
离和鉴定代谢途径上功能基因,为代谢工程提供候选基因;
明确途径中的限速步骤, 提供代谢工程理想的作用靶点等。
目前, 已经克隆并鉴定了银杏内酯前体生物合成途径上的 6
个 基 因, 即 GbDX P S、GbDX R、GbME CT、GbMECP S、
GbGGPP S 和 GbL S。这些基因的克隆为采用代谢工程技术
在分子水平改造银杏内酯合成途径, 提高其合成能力提供了
必需的功能基因和作用靶点。
3. 1 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合成酶基因 ( DXPS) : 是 MEP
途径上的第一个酶,也是第一个关键酶, 其作用是催化丙酮
酸和 G3P 生成 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸,该步骤是植物萜
类合成第一步限速步骤。为研究 DXPS 在植物质体类异戊二
烯化合物及其衍生物合成中的作用, 利用转 dxp s 基因提高
或者降低拟南芥中 dxp s 的表达水平,对一些转基因株系的
分析表明,超量表达 d xp s 的植株异戊二烯类化合物的水平
得到了提高, 包括叶绿素、维生素 E、类胡萝卜素、脱落酸和
赤霉素等; 而在 dxp s表达水平受到抑制的植株中,这些产物
的量都降低了; d xp s 表达水平的改变导致了不同类异戊二
烯 (萜类)终产物量的改变这一事实, 证实了 DXPS 是质体
IPP合成的一个关键酶[ 14]。
Gong 等[ 15]从银杏中克隆了 dxp s ( GbDX P S ) , 该基因
cDNA 全长为 2 795 bp,编码区为 2 154 bp, 编码长度为 717
氨基酸的DXPS ,进一步的分析表明银杏 DXPS 定位于质体,
这与银杏内酯在质体中合成的事实相吻合; GbDX P S 的组织
表达谱分析结果表明 dxp s在银杏根、茎、叶、种皮和种子都表
达, 但是表达量各不相同,根中的表达量高于叶中的表达量,
这与银杏内酯在根中合成的事实吻合; 用甲基茉莉酸、脱落
酸、乙酰水杨酸和硫酸铈铵等 4种诱导子处理银杏细胞后, 都
使得 dxp s的表达水平提高, 同时伴随着 GB 量的提高。d xp s
表达量和银杏内酯量的正相关性表明由 DXPS 催化的该步酶
促反应是银杏内酯生物合成的重要调节步骤, dxp s 是实现银
杏内酯代谢工程的重要候选功能基因。
3. 2 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 ( DXR ) : 在位于
质体的 MEP 途径中, DXP 在 DXR 催化作用下经原子重排
和还原生成 MEP[ 16] , 该反应是 MEP 途径上最重要的限速
反应, 也是萜类物质代谢工程最重要的靶点。作为 M EP 途
径最重要的限速酶, DXR 是 MEP 途径代谢工程最理想的靶
点, 美国科学院院士 Crot eau 教授领导的实验室在实现薄荷
精油的代谢工程时, 以 DXR 的催化步骤作为靶点之一, 在薄
荷中过量表达来源于薄荷的 d x r 和 menthof uran synthase 两
个基因, 使得薄荷精油的量提高了 50% [ 17] , 表明突破 MEP
途径中上游限速瓶颈, 可以实现对目标产物的代谢工程生
产。可以推断,要提高银杏中银杏内酯的量, DXR 是一个很
有效的代谢工程靶点。Gong 等[ 18]采用 RACE 方法克隆银杏
dx r 基因 (GbDX R) , 该基因 cDNA 全长为 1 720 bp,编码区
长为 1 431 bp, 编码定位于质体的长度为 477 个氨基酸的
DXR, 组织表达谱分析表明 dx r 在银杏根、茎、叶、种皮和种
子都表达, 但是表达量各不相同,根中的表达量高于叶中的
表达量,这同样与银杏内酯在根中合成的事实吻合。GbDX R
的克隆和分析有助于在分子水平阐明银杏内酯前体生物合
成的一个限速反应,为银杏内酯的代谢工程提供一个理想的
候选基因和作用靶点。
3. 3 2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胱氨酰转移酶 ( M ECT ) :
M ECT 在 MEP 途径的酶促反应依赖于胞苷三磷酸( CT P)。
在植物中, 编码 MECT 的基因和 M ECT 酶已从拟南芥分离
得到。拟南芥的 MECT 氨基酸序列 N 端包含一条质体转运
肽序列,与 MEP 途径定位于质体的事实相吻合[ 19]。Rohdich
等[20]在大肠杆菌 E . coli 细胞提取物中分离到蛋白 ygbP
( EcMECT )。为验证其功能, Rohdich 以14C 标记的 MEP 为
底物在 ygbP 催化生成带有14C 的 CDP-M E,将带 14C 标记的
CDP-M E 转入辣椒, 结果在辣椒质体中检测到 CDP-M E 参
与类胡萝卜素生物合成。
Kim 等[ 21]用 RACE 方法在银杏中克隆到全长为 1 411
bp 的 GbME CT ,编码长度为 327个氨基酸残基的 MECT 蛋
白;其 N 端 88 个氨基酸残基序列经绿色荧光蛋白标记实验
证明为质体转运肽,其亚细胞结构定位于质体。利用 mect缺
失的 E . coli 菌株 NM W33 验证 mect 功能, 发现转入外源
mect 基因的突变菌株在抗性 LB 平板上能复苏生长。
3. 4 2-甲基赤藓糖-2, 4-环二磷酸合成酶 ( MECPS ) : 是
M EP 途径中的第 5 个酶, 催化 CDP-MEP 转变为 2-甲基赤
藓 糖-2, 4-环 二 磷 酸 ( 2-C-methy ler ythr ito l 2, 4-cyclo-
diphosphate, ME-cPP)。在植物中, 考察 M ECPS 功能的报
道仅见于长春花, 该基因能刺激长春花吲哚类生物碱的积
累[22]。Gao 等人在银杏中克隆到 836 个碱基的M ECPS 的完
整读码框( GeneBank Accession: AY971576) , 但遗憾的是没
有相关文献报道。Kim 等在银杏中克隆到全长为 935 bp 的
GbME CP S, 编码长为 238 个氨基酸残基的 MECPS。将
GbME CP S-GFP 融合基因转入拟南芥, 电镜检测发现在质
体中能检测到融合蛋白发出的绿色荧光, 这与 MECPS 定位
质体的事实相吻合。将 GbMECPS 转入 yg bB (M ECP S )缺
失的 E . coli菌株 NM W26, 发现突变菌株恢复了生长能力,
这证明 GbMECPS 具有替代 ygbB 基因功能, 恢复大肠杆菌
中 MEP 代谢途径的功能[23]。
3. 5 香叶基香叶基焦磷酸合成酶( GGPPS) : 包括银杏内酯
在内的所有二萜类化合物的直接通用前体是具有 20 碳结构
的 GGPP。由 GGPPS 催化的缩合反应是萜类基本前体合成
二萜共同前体的分支点, 也是二萜生物合成调控的重要靶
点[24]。Engpraser t 等[25]从紫苏中克隆并鉴定了 ggpp s 基因,
提出 GGPPS 是从紫苏根中提取的二萜类化合物 fo rskolin
(用于治疗心脏病)生物合成途径上的关键酶。Cro teau 等[ 26]
从加拿大红豆杉 cDNA 文库中克隆并功能鉴定了 ggpp s 基
因, N o rthern 杂交显示红豆杉的 ggpp s 基因的表达受到化
学信号诱导分子甲基茉莉酸( methyl jasm onate, MeJA )的
·943·中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 38卷第 6期 2007 年 6月
调节, 经过诱导的红豆杉细胞中的 ggpp s基因的表达量比非
诱导的红豆杉细胞中的表达量高得多, 同时紫杉醇的产量也
大为增加。L iao 等[ 27]从曼地亚红豆杉基因组中分离并鉴定
了 g gpp s 基因, 发现该基因没有内含子;同时在其编码区上
游的调控区域内分离到了具有 G-box 的顺式作用元件, 分
析为甲基茉莉酸反应元件, 在分子水平上初步阐明了该基因
受 M eJA 刺激表达上调的机制, 使得对于 GGPPS 催化的该
步反应的分子机制又深入了一步。
L iao 等[12]从银杏中克隆到银杏的 g gpp s 基因, cDNA
全长 1 657 bp,编码 391 个氨基酸残基的 GGPPS,其中 N 端
具有由 79 个氨基酸残基组成的质体转运肽。生物信息学分
析表明 GbGGPP S 基因同其他物种GGPPS 基因一样具有两
个高度保守的天冬氨酸富集区域, 属于多聚异戊二烯基转移
酶基因家族。GbGGPP S 催化 5碳单位的基本前体缩合成为
20碳的 GGPP ,为银杏内酯生物合成提供20 碳的骨架。由此
可见, GGPPS 是二萜生物合成途径上重要的调节基因, 其催
化的反应是二萜生物合成代谢调控的重要靶点。因而分离和
鉴定银杏 ggpp s基因有助于阐明银杏内酯前体生物合成关
键步骤的分子机制和为银杏内酯的代谢工程提供重要的候
选基因和作用靶点。
3. 6 左旋海松二烯合成酶( LS) :类异戊二烯的环化是萜类
生物合成中关键步骤, 在银杏内酯生物合成途径中 LS 起到
最初的环化作用。GGPPS 在 LS 作用下环化, 经质子传递、
氧化作用,最终生成银杏内酯 A, 随后经过各种修饰形成银
杏内酯家族其他化合物。Hala等[ 13]在银杏 cDNA 文库中克
隆到 GbL S 基因,长为 2 619 bp 的编码区, 编码含 873 个氨
基酸残基的蛋白; LS 蛋白在 N 端也含有质体转运肽, 这给
银杏内酯在质体中合成又提供了一个有力证据;序列中具有
3 个天冬氨酸富集区域,此结构推测与 LS 的环化功能相关;
将外源 LS 导入大肠杆菌, 结果生成了左旋海松二烯, 表明
该基因具有将 GGPP 环化为左旋海松二烯的功能。
4 组织细胞培养合成银杏内酯的研究
4. 1 培养基的选择及诱导子的添加: 细胞培养是大规模生产
次生代谢产物的一个有效途径。自从 1991 年 Carr ier [28]在银
杏愈伤组织悬浮培养检测到银杏内酯存在以来,利用银杏细
胞培养获得银杏内酯的研究成为热门方向。银杏外植体在添
加适当植物激素的 MS 固体培养基上均能诱导出银杏愈伤组
织,其中子叶与幼叶诱导率较高。Park 等[ 29]以银杏叶柄为外
植体用 MS 加 5~40 Lm ol/ L 的 NAA 诱导愈伤,将愈伤组织
采用细胞沉降体积百分率为 30%以及添加 20 Lmo l/ L 的
NAA 的 MS 液体培养基进行悬浮培养, 取得了较好的效果。
为增加目的产物产量, 许多研究者致力在细胞培养过程
中添加外界诱导子, 促进目的产物的积累。Kang 等[ 30]在银
杏悬浮细胞培养中添加甲基茉莉酸 ( M J)和水杨酸 ( SA ) ,
0. 01 mmol/ L MJ 分别使得 GA、GB 增加了 4. 3 倍和 8. 2
倍; 1. 0 mmo l/ L SA 分别使得 GA 和 GB 增加了 3. 1 倍和
6. 1倍。Gong 等[ 16]采用 MJ、乙酰水杨酸( ASA )、花生四烯酸
( AA )、硫酸铈胺 ( CAS)诱导子处理银杏细胞, 结合半定量
RT-PCR 技术在分子水平揭示以上 4 种诱导子能有效调控
银杏内酯合成。
4. 2 前体饲喂对银杏内酯产量的影响: 在对银杏内酯代谢
途径认识清晰的基础上,在细胞培养过程中进行前体饲喂也
是提高目的产物的一个有效途径。Cam per 等[ 31]在培养基中
加入银杏内酯的前体 GGPP , 取得良好的培养效果; D ai
等[32]在银杏悬浮培养过程中添加异戊二烯( isopr ene )和
牛儿醇( ger anio l) , 银杏内酯量比对照组分别提高了 69%和
13. 8% ; Kang 等[ 33]研究悬浮培养的银杏细胞中银杏内酯的
积累时发现 ,添加 MVA 途径或 MEP 途径前体均能加快细
胞生长, 添加 MVA 与 MEP 途径前体后, 3-羟基-3-甲基戊
二酰辅酶 A( HM G-CoA )可提高 GA 量达 3. 5 倍, 但对 GB
合成无影响, 焦磷酸香叶酯( GPP )提高 GB 量效果最高, 达
2. 7 倍。该实验表明添加上游前体均可提高 GA 的积累, 而
只有 IPP 以后的前体才能促进 GB 的合成。对前体饲喂的研
究和对银杏内酯合成途径的深入认识,对靶向调控基因促进
银杏内酯的合成具有积极的意义。
4. 3 银杏的遗传转化:裸子植物转基因操作是农杆菌介导
的遗传转化的一大难题,银杏也不例外, 在遗传转化方面一
直难以取得满意结果。Laura in 等[ 34]首次利用农杆碱型发根
农杆菌菌株 GFBP2409 侵染银杏胚, 诱导发根获得成功。
2003 年 Radia 等[ 35]用野生型发根农杆菌 A4 菌株侵染银杏
合子胚, 在 MS 培养基上产生愈伤组织小球, 将小球转移到
White 培养基发现有发根形成。分子检测表明 r olA , r olB 和
r olC 基因已经整合到了宿主细胞基因组中。通过遗传转化银
杏细胞得到毛状根, 筛选银杏内酯高产量单克隆株系, 是实
现基因改良和工业化生物合成银杏内酯的有效途径, 也是近
年来基因改良技术研究热点之一。
5 展望
心脑血管疾病是目前全球发病率最高的疾病之一, 是世
界卫生组织公布的人类健康头号杀手。由于银杏内酯在治疗
心脑血管疾病方面有良好疗效, 而且在增强记忆力、维持神
经系统健康等诸多方面都表现出良好的效果, 因此银杏内酯
的相关领域研究成为当今植物次生代谢研究的热点之一。在
银杏内酯生物合成研究中,多个相关的关键酶基因都已经被
克隆, 这为采用代谢工程策略遗传改良银杏, 提高银杏内酯
合成能力提供了必需的功能基因和作用靶点; 而银杏遗传转
化的成功为这些基因的遗传转化提供了必要的技术支撑。这
两方面的研究使得实现银杏内酯的代谢工程不再遥远。在开
展代谢工程研究时, 面对众多的功能基因,如何选择最有价
值的关键酶基因就显得十分重要。由于前人研究证明 DXR
是 MEP 途径中最重要的关键酶基因,其与下游关键酶基因
的组合能够很好的提高目标产物量,如在薄荷中提高薄荷醇
量;同时, 线型 GGPP 分子的特有环化反应被公认为是特有
萜类合成中最关键的一步反应, 因而由 LS 催化的反应是银
杏内酯代谢工程必需的一个功能基因。据此, 在开展银杏内
酯代谢工程研究时, 在有多个功能基因选择的情况下, 同时
选择 DXR 和 LS 构建双基因表达载体, 遗传转化银杏可以
·944· 中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 38卷第 6期 2007 年 6月
获得理想的结果。由于银杏内酯的下游合成途径中还有多步
反应的基因没有分离, 故银杏内酯合成的分子遗传学和生物
化学研究还将在较长时期内深入开展并成为植物科学领域
的一个前沿方向和热点领域。随着功能基因组学、代谢组学
和生物信息学研究手段的不断丰富, 阐明银杏内酯整个合成
途径的分子机制已经为期不远。
References:
[ 1] Jacobs B P, Br ow ner W S . G inkgo biloba: A l iving fos sil
[ J] . Am J M ed, 2000, 108: 341-342.
[ 2] Bilia A R. Ginkgo biloba [ J ] . F itote rap ia , 2002, 73 ( 3 ) :
276-279.
[ 3] Van Beek T A, S cheeren H A, Ran tio T , et al .
Determin at ion of ginkg ol ides and bilob al ide in Ginkg o biloba
leaves an d phytopharmaceut icals [ J ] . J Chr omat , 1991,
543: 375-387.
[ 4] Nak anishi K. T he ginkgol ides [ J ] . P ure App l Chem, 1967,
14( 1) : 89-113.
[ 5] Maruyam a M , T erahara A, Nak adaira Y, et al. T he gink-
golides VI: Stereochemist ry of th e ginkgolid es [ J] . T etr ahed
L ett , 1967( 4) : 315.
[ 6] Cartayrade A, Neau E , S ohier C, et al . Sites of synthesis ,
t rans locat ion and accumulat ion of gink golides and b ilobalide
[ J] . Plant Physiol Biochem , 1997, 35( 11) : 859-868.
[ 7] Neau E , Cartayrade A, Balz J P, et al . Ident if ication of a
poss ible intermediate compound by using inh ibitors of
cytoch rom e P-450-dependent ox ygenses [ J ] . Plant P hysiol
Biochem, 1997, 35( 11) : 869-879.
[ 8] Aule O, Fur holz A, Chang H S , et al. Cross talk betw een
cytosolic and p las t idial pathw ays of isoprenoid biosyn th es is in
A rabidop sis thal iana [ J] . Proceed ing s N at A cad Sc i Unit ed
S tate s A meric a ( PN AS ) , 2003, 100: 6866-6871.
[ 9] Schw arz M K. T erpen-Biosynth ese in G inkgo bi loba: eine
™berras chende Gesch ichte [ A] . Dissertat ion of Doctor Deg ree
of ET H Z™ri ch [ D] . Sw it zerlan d: ET H Z™rich, 1994.
[ 10] Liao Z H , Chen M, Gong Y F, et al . Isopr enoid b iosynthesis
in plan ts : pathw ays , genes , regulat ion and m etab olic engi-
neering [ J] . J B iol Sc i, 2006, 6( 1) : 209-219.
[ 11] RodrŠguez-C on cepciŽn M, Boronat A. Elucidat ion of the
meth yleryth ritol phosp hate pathw ay for is opren oid biosyn-
thes is in bacteria and plas tids: A m etabolic milestone
achieved th rough Genomics [ J] . Plant Physiol, 2002, 130
( 3) : 1079-1089.
[ 12] Liao Z H, Chen M, Gong Y F, et al . A new geranylgeranyl
diphosphate synthase gen e f rom G inkgo bi loba, w hich inter -
med iates the b iosynthesis of the key precurs or for ginkgolid es
[ J] . DNA S equ ence, 2004, 15( 2) : 153-158.
[ 13] Hala G, S chepmann, Pang J H, et al . Cloning an d Ch ar -
acterizat ion of Ginkg o biloba levop imaradiene s ynthase, wh ich
catalyz es the f irs t commit ted step in ginkgol ides b iosynthesis
[ J] . Ar ch Biochem Biop hys, 2001, 392( 2) : 263-269.
[ 14] Est†vez J M , Cantero A, Reindl A, et al . 1-Deoxy -D -
xylulose-5-phosphate syn th as e, a lim itin g enzyme for plas-
t idic is opren oid biosynth esis in plants [ J ] . J B iol Chem ,
2001, 276( 25) : 22901-22909.
[ 15] Gon g Y F, Liao Z H, Guo B H, et al . M olecular cloning and
exp res sion prof ile analysis of Ginkg o biloba DXS gene
encoding 1-deoxy-D -x ylulos e 5-phosph ate synth ase, the f irs t
commi tted en zyme of the 2-C-methyl-D-erythritol 4-
phosph ate pathw ay [ J] . P lanta Med , 2006, 72: 329-335.
[ 16] Takahashi S, Kuzyuyama T , Watanabe H, et al. 1-Deoxy -
D-xylulose 5-phosphate reductois om erase catalyz ing the
form at ion of 2-C-methyl-D-erythritol 4-ph osphate in an
al ternat ive n onmevalonate p athw ay for terpenoid b iosynthesis
[ J] . Pr oceed ing s N at A cad S ci Unit ed S tates A merica
( PN A S ) , 1998, 95( 17) : 9879-9884.
[ 17] Mahmoud S S , Croteau R B. Metabol ic engineering of
es sent ial oil yield and compos iti on in mint by al tering
exp res sion of deoxyx ylulos e phosp hate reductois omerase and
m enthofuran synthase [ J] . Proceed ing s Nat A cad S ci United
S tates A mer ica ( PN A S ) , 2001, 98( 15) : 8915-8920.
[18] Liao Z H, C hen M, Gong Y F, et al . M olecular clonin g and
characterizat ion of a 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate
reductois omerase gene f rom Ginkg o biloba [ J ] . DN A
S equence, 2005, 16( 2) : 111-120.
[19] Rohdich F, Wungs intaw eeku l J, Eis enreich W , et al .
Biosyn th es is of terpenoids: 4-diph osphocytidyl-2C-meth yl-
D-erythritol synthase of A rabidop sis thal iana [ J] .
P roceedings N at A cad S ci Unit ed S tates A meric a ( PN A S ) ,
2000, 97: 6451-6456.
[20] Roddich F, Wungs intaw eeku l J , Fel lermeier M , et al .
Cyt idin e 5ø-triph osphate-dependent b ios ynthesis of isopre-
noids : YgbP protein of E scheri chia coli catalyzes of format ion
of 4-diphosp hocyt idyl-2-C-m ethylerythritol [ J ] . P roceedings
N at A cad S ci Unite d States A merica ( PN A S ) , 1999, 96:
11758-11763.
[21] Kim S M, Kuzuyama T , C han g Y J, et al. Cloning and
funct ion al ch aracterizat ion of 2-C-meth yl-D-eryth ritol 4-
ph osphate cyt idylt ransfer as e ( GbMECT ) gene f rom G inkgo
biloba [ J] . Phytochemist ry, 2006, 67: 1435-1441.
[22] Rohdich F, Wungsin taw eekul J, Lu ttgen H, et al .
Biosyn th es is of isoprenoids: 4-diph osphocytidyl-2C-meth yl-
D-erythritol kinase fr om tomato [ J] . Pr oceed ing s N at Acad
S ci Uni ted S tates A mer ica ( PN A S ) , 2000, 97: 8251-8256.
[23] Kim S M, Kuzuyama T , C han g Y J, et al. Cloning and
characterizat ion of 2-C-methyl-D-erythritol 2, 4-cycoldi-
ph osphate s ynthase ( M ECS ) gene f rom G inkgo biloba [ J] .
P lant Ce ll R ep, 2006, 25: 829- 835.
[24] Walker K, Croteau R. Taxol b iosynthetic genes [ J] .
P hy tochemistry , 2001, 58: 1-7.
[25] Engpras ert S , Taura F, Kaw am ukai M , et al. M olecular
cloning and funct ional expression of g eranylgeranyl pyropho-
sphate synthase f rom Coleus f or skohlii Briq. [ J] . BMC P lant
B iol, 2004, 4( 18) : 1-8.
[26] Hefner J , Ketchum R E B, Croteau R. C loning and
funct ion al expression of a cDNA encodin g g eranylgeran yl
diph osphate syn th as e f rom Tax us canadensis an d as ses sment
of th e role of th is pr enyl trans ferase in cel ls induced for T axol
produ ct ion [ J] . A rch B iochem B iop hy , 1998, 360: 62-74.
[27] Liao Z H, Gon g Y F, Kao G Y, et al . An int ron-fr ee meth yl
jasm onate inducible ger anylgeranyl diphosph ate synthase
gene f rom T axu s med ia and it s funct ion al ident if icat ion in
yeas t [ J ] . Molec Biol , 2005, 39( 1) : 14-20.
[28] Carrier D J, Chauret N, Mancini M , et al . Detect ion of
gin kgolides-A in Ginkg o biloba cell cultures [ J ] . P lant Cell
R ep , 1991, 10( 5) : 256-269.
[29] Park Y G, Kim S J, Jung H Y, et al . Var iat ion of
gin kgolides an d bi lobal ide contents in leaves an d cell cu ltures
of Ginkg o biloba [ J] . B iotechnol B iop roc E ng , 2004, 9: 35-
40.
[30] Kang S M, Min J Y, Kim Y D, et al . Ef fect s of meth yl
jasm onate and salicyl ic acid on the produ ct ion of bilobalide
and ginkgolid es in cell cultures of G inkgo bi loba [ J ] . I n Vi tro
Cel l Dev Biol P lant , 2006, 42( 1) : 44-49.
[31] Camper N D, Cok er P S , Wedge D E, et al. In v itr o culture
of Ginkgo [ J] . I n Vi tro P lant , 1997, 33( 2) : 125-127.
[32] Dai J G, Zhu W H, Wu Y Q, et al. Ef fect s of precurs ors and
fungal elicitor s on GKB production in su spension cultured
cel ls of Ginkgo biloba [ J] . A cta P harm Sin (药学学报) ,
2000, 35( 2) : 151-155.
[33] Kang S M, Min J Y, Kim Y D, et al . Ef fect of
s upplement ing terpenoid biosyn th et ic precurs ors on the
accumulat ion of bilob al ide an d gin kgolides in Ginkg o bi loba
cel l cultures [ J] . J B iot echnol , 2005, 123: 85-92.
[34] Laurain D, T remoiu llaux G J , C hemieux J C, et al .
Product ion of ginkg ol ide and biobalide int rans for med and
gametoph y ederived cel l cul tures of Ginkg o bi loba [ J] .
P hy tochemistry , 1997, 46( 1) : 127-130.
[35] Ayadi R, T r†mouil laux-Guiller J. Root for mat ion f rom
transgenic cal li of G inkgo biloba [ J] . Tr ee Physiol, 2003,
23: 713-718.
·945·中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 38卷第 6期 2007 年 6月