全 文 ：特 产 研 究 Special Wild Economic Animal and Plant Ｒesearch 53
DOI:10． 16720 / j． cnki． tcyj． 2016． 02． 012
收稿日期:2015 － 11 － 02
基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAI03B0106)
作者简介:张艳敬(1982 －) ，女，河北省保定市人，博士，助理研究员，从事药用植物资源育种研究。
※通讯作者:王英平，E － mail:yingpingw@ 126． com．
人参属药用植物三萜皂苷合成途径关键酶的研究进展
张艳敬，候志芳，梁韶，王晗，宋娟，王英平※
(中国农业科学院特产研究所，长春 130112)
摘要:三萜皂苷是人参属药用植物的主要活性成分，具有抗衰老、抗肿瘤、抗疲劳等功效。明确三萜皂苷的生物合成途径是利
用基因工程技术提高次生代谢物产量的前提和基础。本文综述了人参属药用植物人参、西洋参、三七中的三萜皂苷合成途径
的关键酶基因的研究进展，为深入研究三萜皂苷的合成与代谢分子调控机制提供了理论基础。
关键词:三萜皂苷;生物合成途径;人参属
中图分类号:S567. 5 + 1. 01 文献标识码:A 文章编号:1001 － 4721 (2016)02 － 0053 － 06
The Ｒesearch Progress of key Enzymes Involved in Triterpene
Saponin Biosynthesis in Panax Genus Plants
ZHANG Yan － jing，HOU Zhi － fang，LIANG Shao，WANG Han，
SONG Juan，WANG Ying － ping※
(Institute of Special Wild Economic Animals and Plants，Chinese Academy of
Agricultural Sciences，Changchun 130112，China)
Abstract:Triterpene saponins which are the key active ingredients in Panax genus plants contribute to the various pharmacological
effects including anti － aging，anti － cancer and anti － stress activities． Clarification of the biosynthetic pathway of triterpene saponins is
the premise and foundation to increase the content of active substances in medicinal plants by genetic engineering technology． This re-
view summarized the research progresses on the key enzymes involved in triterpene saponin biosynthesis in Panax genus plants，such as
Panax ginseng，Panax quinquefolius，and Panax notoginseng，which are expected to provide a theoretical support to further elucidate the
molecular mechanism for the biosynthesis and regulation of these medically important compounds．
Key words:triterpene saponin;biosynthetic pathway;Panax genus
人参属(Panax)药用植物有很多种，其中应用
和研究最广泛的是人参、西洋参、三七等。三萜皂苷
是人参属药用植物的主要活性成分，主要功能有抗
衰老、抗疲劳、抗肿瘤等功效。随着分子生物学的飞
速发展，利用基因工程和代谢工程手段提高次生代
谢物的产量具有广阔的前景。因此，阐明三萜皂苷
在药用植物体内的合成途径，对于实现三萜皂苷的
植物体内和体外合成具有重要意义。
1 三萜皂苷生物合成途径
与绝大多数植物萜类化合物相同，三萜皂苷主
要通过甲羟戊酸代谢途径合成，这个过程可以分为
3 个阶段:首先糖酵解产物乙酰辅酶 A 由甲羟戊酸
途径合成异戊烯基焦磷酸(IPP)和 γ，γ －二甲丙烯
基焦磷酸(DMAPP) ;其次通过烯丙基转移酶和萜类
环化酶合成 2，3 －氧化鲨烯;最后 2，3 －氧化鲨烯经
过环化、羟基化和糖基化形成各种三萜皂苷。
54 特 产 研 究 2016 年第 2 期
三萜皂苷具体的生物合成途径由约 20 步连续
的酶促反应来完成。主要步骤有:
2 分子乙酰辅酶 A 在乙酰辅酶 A 酰基转移酶
(AACT)催化下缩合生成乙酰乙酰辅酶 A，随后在 3
－羟基 － 3 －甲基戊二酰 CoA 合成酶(HMGS)作用
下继续与一分子乙酰辅酶 A 缩合形成 3 －羟基 － 3
－甲基戊二酰 CoA(HMG － CoA) ，之后在 3 －羟基
－ 3 －甲基戊二酰单酰辅酶 A 还原酶(HMGＲ)催化
下形成甲羟戊酸(MVA) ，又依次在甲羟戊酸激酶
(MK)、二氧磷基甲羟戊酸激酶(PMK)和甲羟戊酸
焦磷酸脱羧酶(MPD)的作用下生成 IPP，最后 IPP
在异构酶的作用下形成 DMAPP。
IPP及其异构化的 DMAPP 在牻牛儿基焦磷酸
合成酶(GPS)作用下首先形成牻牛儿基焦磷酸
(GPP) ，接着利用法尼基焦磷酸合成酶(FPS)转化
成法尼基焦磷酸(FPP) ，又在鲨烯合成酶(SS)等的
作用下合成鲨烯，然后经鲨烯环氧酶(SE)催化转变
为 2，3 －氧化鲨烯。
2，3 －氧化鲨烯是三萜类化合物和植物固醇的
共同前体。在植物中，β －香树酯合成酶、达玛烷合
成酶和环阿屯醇合成酶均属于氧化鲨烯环化酶家
族，位于三萜类化合物和固醇生物合成的分支点上。
以人参为例，2，3 －氧化鲨烯在达玛烷合成酶的作用
下合 成 达 玛 烷 二 醇，然 后 在 细 胞 色 素 P450
(CYP450)单加氧酶、糖基转移酶等化学修饰后形成
达玛烷型人参皂苷;2，3 －氧化鲨烯在 β －香树素合
成酶的作用下合成 β －香树素，之后在糖基转移酶
催化作用下形成齐墩果烷型人参皂苷;2，3 －氧化鲨
烯在环阿屯醇合成酶的作用下合成环阿屯醇，再经
过一系列的催化反应生成植物甾醇。
2 三萜皂苷关键合成酶基因研究进展
2. 1 3 －羟基 －3 －甲基戊二酸单酰辅酶 A还原酶
(HMGＲ)
HMGＲ是甲羟戊酸途径中的第 1 个限速酶，催
化 3 －羟基 － 3 －甲基戊二酸单酰辅酶 A 生成甲羟
戊酸。该反应是一个不可逆的过程，也是萜类合成
过程中的重要调控点。张萍等［1］根据 Genbank 数
据库中已经存在的一条人参的 HMGＲ 基因序列
(GU565097)设计引物，从三七愈伤组织中克隆到一
个三七的 PnHMGＲ基因(KJ578757) ，生物信息学预
测 PnHMGＲ基因编码蛋白包含 2 个跨膜结构域，不
含信号肽，具有 HMGＲ 催化作用的活性中心结构
域。实时荧光定量 PCＲ 检测到 PnHMGＲ 基因在三
七细胞生长 30d 时表达量最高。Wu 等［2］从西洋参
EST文库中克隆到一个HMGＲ基因(FJ755158) ，编码
589个氨基酸的蛋白。生物信息学分析表明，HMGＲ
基因有 2个跨膜结构域和 1 个催化结构域。组织特
异性表达分析显示，此基因在叶子中表达量最高，其
次为花和根，茎中表达量最低。罗红梅等［3］分析了人
参的转录组测序结果，克隆得到了一条新的 HMGＲ
基因(JX648390) ，此基因与上述报道的西洋参 HMGＲ
基因有 99%的序列相似性。但是二者与 Genbank 数
据库中已经存在的人参的 HMGＲ 基因序列
(GU565097)的序列相似性仅有 67%。这说明在人参
属药用植物中存在至少 2种 HMGＲ基因类型。
上述文章仅对人参属植物 HMGＲ 基因进行了
克隆和组织表达特异性分析，并没有对其功能作深
入研究。2014 年，Kim等［4］重新克隆了韩国人参中
的 PgHMGＲ1 (KM386694 ) 和 PgHMGＲ2
(KM386695)基因。这 2 个基因分别编码 573 和
594 个氨基酸的蛋白，其中 PgHMGＲ1 与之前报道的
GU565097 和 KJ578757 的核苷酸序列一致性为
99%，PgHMGＲ2 与 FJ755158 和 JX648390 的核苷酸
序列一致性为 95%，但是这两者核苷酸序列相似性
为 69%。这表明，克隆到的这 2 个 HMGＲ基因可能
具有不同的功能。生物信息学分析表明，这 2 个蛋
白均含有其它物种 HMGＲ 类似的保守结构域:2 个
跨膜 结 构 域、2 个 NADPH 结 合 结 构 域、1 个
HMG － CoA结合结构域。这 2 个蛋白的 N 端均有能
够定位于内质网的富含精氨酸的基序。2 种基因的
表达水平在种子、茎、叶、花中表达量较低，但是在根
中的表达量很高。PgHMGＲ1在 3 年生和 6 年生人参
根中表达量变化不大，PgHMGＲ2在 6 年生人参根中
的表达量是 3 年生人参的 5 倍。PgHMGＲ1受茉莉酸
甲酯的诱导表达，而PgHMGＲ2不受其诱导表达［5］。
另外，PgHMGＲ1还受黑暗诱导进而表达量上升。将
PgHMGＲ1转化拟南芥和人参，明显提高了 2 种植物
中固醇和萜类化合物的含量。这些结果推测出，
PgHMGＲ1在人参根中主要参与了人参皂苷和固醇类
物质的合成途径，而PgHMGＲ2在人参的老根中参与
某种特殊代谢物的合成。这暗示了不同的HMGＲ基
因在植物中具有不同的功能，很可能参与不同次生代
谢物的合成。
第 2 期 张艳敬，等:人参属药用植物三萜皂苷合成途径关键酶的研究进展 55
2. 2 法尼基焦磷酸合成酶(FPS)
FPS是一种烯丙基转移酶，催化一分子的 IPP
和 GPP缩合合成法尼基焦磷酸(FPP)。Kim等［6］克
隆得到一个编码 343 个氨基酸的人参 FPS 基因
(DQ087959) ，其氨基酸序列与拟南芥、橡胶和积雪
草的 FPS 基因分别有 77%、84%和 95%的同源性。
当用0. 1mol /L茉莉酸甲酯处理人参发根12h ～ 24h
后，FPS的 mＲNA表达量显著上升。并且在茉莉酸
甲酯处理 12h 后 FPS 的酶活性也显著高于对照水
平。Kim等［7］将人参的 FPS基因转移到积雪草中并
使其过量表达，结果表明，积雪草达玛烷合成酶的
mＲNA水平显著提高，并且积雪草中的固醇类和三
萜类化合物的合成量明显提高。西洋参和三七的
FPS基因序列已经拼接完成，但目前还没有深入研
究其功能。
2. 3 鲨烯合成酶(SS)
SS催化 2 分子的法尼基焦磷酸形成中间产物，
中间产物在简化吡啶辅酶因子还原作用下形成鲨烯。
鲨烯是植物细胞合成甾醇、三萜等物质的共同前体。
Lee等［8］克隆了人参中的 SS 基因(AB115496) ，编码
一个 415 个氨基酸的蛋白。实验证明，茉莉酸甲酯
处理能够提高 SS 基因的表达量。在人参中过表达
SS基因能够提高植物类固醇以及人参皂苷的产量。
Kim等［9］克隆了人参中的另外 2 个 PgSS1 同源基
因:PgSS2(GQ468527)和 PgSS3(AB115496)。功能
互补实验表明，PgSS1、PgSS2 和 PgSS3 都能使酿酒
酵母 SS基因缺陷型突变体回复为麦角甾醇原养型，
即在重组的酵母细胞中产生鲨烯、鲨烯环氧化物以
及麦角固醇。组织表达分布实验表明，PgSS1 分布
在人参的整个植株中，PgSS2 和 PgSS3 只分布在特
殊的器官中。将 PgSS1 和 PgSS3 的启动子融合 GUS
基因后转化人参，原位杂交结果显示，PgSS1 分布于
根和地上部分，PgSS3 仅分布于地上部分。这些结
果表明，这 3 个 SS 基因表达模式不同，但都参与人
参的鲨烯合成。蒋世翠等［10］根据人参 SS 基因设计
正义及反义片段引物，构建了 SS 基因干扰表达载
体，通过农杆菌介导转化人参愈伤组织。实验结果
表明，转化后的愈伤组织 SS 基因表达量降低，不同
种类皂苷含量也有所变化。这表明，SS 是人参皂苷
生物合成途径的关键酶，抑制 SS基因的表达可调控
不同种类人参皂苷的产量。孙颖等［11］构建了三七
鲨烯合酶基因的超表达载体，并利用农杆菌介导法
转化三七愈伤组织。结果表明，三七 SS基因的过表
达有利于三七皂苷含量的积累。
2. 4 鲨烯环氧酶(SE)
SE催化鲨烯合成 2，3 －氧化鲨烯，这是甾醇和
三萜类化合物生物合成途径的第 1 个氧化步骤。
Han 等［12］克隆了 2 个人参的 SE 基因:PgSQE1
(AB122078)和 PgSQE2(FJ393274) ，分别编码 537
和 545 个氨基酸，氨基酸序列一致性为 83%。组织
表达特异性分析实验表明，PgSQE1 基因在人参各个
器官中均有表达，PgSQE2 仅在叶柄和花中有表达，
在叶和根中几乎没有表达。茉莉酸甲酯诱导了人参
根中 PgSQE1 基因的表达，而抑制了 PgSQE2 基因的
表达。通过 ＲNA 干扰(ＲNAi)技术，在转基因人参
根中降低 PgSQE1 基因的表达导致人参皂苷产量下
降，但是上调了 PgSQE2 和环阿屯醇合酶(CAS)的
表达进而导致甾醇含量的提高。这表明，PgSQE1 和
PgSQE2具有不同的调控机制，PgSQE1 只参与人参皂
苷的合成，与甾醇的合成无关。牛云云等［13］克隆了
三七中与人参同源的 SE 基因 PnSE1(KC953033)和
PnSE2(JX625132) ，分别编码 537 和 545 个氨基酸，
序列相似性为 79%。PnSE1 基因在根、茎、叶、花中
均有表达，PnSE2 基因只在花中表达量显著，其余组
织较弱。PnSE1 基因响应茉莉酸甲酯的诱导，PnSE2
基因未响应其诱导。这些结果与人参中 SE 的表达
模式相似。因此，推测人参属植物中至少存在 2 种
类型的 SE，一种类型基因参与三萜皂苷的合成，另
外一种类型基因可能参与植物甾醇的合成。
2. 5 达玛烷合成酶(DS)和 β －香树酯合成酶(β
－AS)
DS和 β － AS 同属氧化鲨烯环化酶(OSC)家
族，催化 2，3 －氧化鲨烯环化合成达玛烷二醇和 β －
香树素，它们分别是合成达玛烷型和齐墩果烷型三
萜皂苷的关键酶。
Tansakul等［14］根据 OSC 基因家族保守序列设
计简并引物，从人参毛状根中克隆到 DS 基因 PNA
(AB265170) ，该基因转入酿酒酵母后能催化产生达
玛烯二醇。Han 等［15］从人参花为材料构建的 EST
文库中克隆到 1 个 DS 基因 DDS(AB122080) ，与上
述 PNA基因氨基酸序列一致性为 99%。组织特异
性表达分析显示，DDS 基因在人参花中表达量最
高，而在其它组织表达量较低，并且响应茉莉酸甲酯
的诱导表达。在 DDS 缺失型酵母中异源表达人参
56 特 产 研 究 2016 年第 2 期
DDS基因能够产生达玛烯二醇和羟基达玛烯酮。
通过 ＲNAi技术使 DDS基因沉默能使人参根中皂苷
产量降低到原来的 84. 5%。这表明 DDS 基因对达
玛烷型人参皂苷的合成起重要作用。Hu 等［16］从 5
年生人参根中克隆到 1 个 DS 基因(JN596111)并进
行了原核表达，结果显示，重组表达的达玛烷合成酶
在体外具有催化活性，能够将鲨烯最终转化为达玛
烷二醇。Wang 等［17］从西洋参中克隆了 1 个 PqDS
基因(KC316048)。PqDS基因在酵母中的异源表达
使得缺失 DS基因的酵母产生了达玛烷二醇。在西
洋参发根中表达 PqDS 基因和 1 个 CYP450 基因
PqD12H，使得人参皂苷产量有显著提高。另外，在
酵母中同时表达 PqDS 和 PqD12H 基因导致了原人
参二醇的产生。
β －香树酯合成酶催化 2，3 －氧化鲨烯环化合成
β －香树素是目前为止发现的齐墩果烷型人参皂苷
Ｒo合成的唯一关键酶。Kushiro 等［18］克隆了 β －香
树酯合成酶基因(AB009030) ，含有 763 个氨基酸，将
此基因转化到酵母中，能够在缺乏羊毛甾醇合成酶的
酵母中合成 β －香树素。Zhao等［19］也从人参毛状根
中克隆到 β － AS 基因(AB014057) ，并成功构建了 β
－ AS基因反义植物表达载体，抑制 β － AS 基因的表
达，使代谢流主要流向达玛烷型三萜皂苷支路，从而
达到提高达玛烷型人参皂苷含量的目的。
2. 6 细胞色素 P450
CYP450 是一类超基因家族编码的单加氧酶，
对人参皂苷三萜碳环骨架进行羟基化和氧化等一系
列复杂修饰作用，是人参皂苷生物合成途径中的关
键酶。Han等［20］构建了人参不定根的 EST文库，并
从中得到了 9 个候选的 CYP450 基因。其中
CYP716A47 基因(JN604536)的表达量在茉莉酸甲
酯处理后以及过表达鲨烯合成酶基因的转基因人参
中均有显著提高。将 CYP716A47 基因转入酿酒酵
母，表达的重组蛋白能催化达玛烯二醇的 C － 12 位
羟基化，使其转化为原人参二醇。Han 等［21］后来又
发现，CYP716A53v2 基因(JX036031)编码的蛋白能
够催化原人参二醇的 C － 6 位羟基化产生人参三
醇。另外，CYP716A52v2 基因(JX036032)编码的蛋
白能够使 β －香树素转化成齐墩果酸(齐墩果烷型
人参皂苷的前体)［22］。在酵母中异源表达基因
PNY1 和 CYP716A52v2 导致了齐墩果酸的产生。过
表达 CYP716A52v2 的转基因人参中非常显著地提
高了 齐 墩 果 酸 型 人 参 皂 苷 的 含 量，ＲNAi
CYP716A52v2 基因显著降低齐墩果酸型人参皂苷
的含量。在这些转基因人参植株中，并没有影响到
达玛烷型人参皂苷的含量变化。在西洋参中，Sun
等［23］首次克隆了催化达玛烷二醇到原人参二醇的
CYP450 基因 PqD12H(JX569336)。在酵母中异源
表达 PqD12H能够使得添加到培养基中的达玛烷二
醇转化成原人参二醇。同样的，在 PqD12H 下调表
达的转基因人参株系中，原人参二醇以及原人参二
醇型的人参皂苷的含量均有降低。Wang 等［24］克隆
并鉴定了西洋参中催化原人参二醇到人参三醇的
CYP450 基因 CYP6H(KC190491)。在茉莉酸甲酯
处理下，CYP6H基因的 mＲNA 水平没有明显变化，
酵母中异源表达 CYP6H 基因使得添加的原人参二
醇转化为原人参三醇。ＲNA 干扰 CYP6H 基因表达
的人参发根中，提高了原人参二醇型人参皂苷的积
累，降低了原人参三醇型人参皂苷的积累，然而在过
表达 CYP6H基因的人参发根中与之相反。上述关
于人参属药用植物 CYP450 的研究，为应用组合生
物学在植物体外合成三萜皂苷提供了重要的生物元
器件。
2. 7 糖基转移酶(GT)
GT催化的糖基化反应是三萜皂苷生物合成的
最后一步，使得单糖与三萜皂苷苷元由糖苷键相连。
GT也是以基因家族的形式存在于植物体内，并具有
高度的专一性。转移的糖基不同或糖基的受体不
同，所需的 GT也不同。参与植物次生代谢的 GT通
常含有 PSPG模体，该模体是 GT中与底物 UDP －葡
萄糖或 UDP －半乳糖结合的区域。Jung 等［25］从人
参中克隆了 GT 基因 PgUGT74AE2(JX898529)和
PgUGT94Q2(JX898530)。PgUGT74AE2 基因编码的
酶能够使得 UDP －葡萄糖转移 1 个糖基到原人参二
醇和 compound K的 C3 羟基上，使之生成人参皂苷
Ｒh2 和 F2;PgUGT94Q2 基因编码的酶能够将 UDP －
葡萄糖转移 1 个糖基到 Ｒh2 和 F2 上，使之生成人参
皂苷 Ｒg3 和 Ｒd。在酵母中同时表达这 2 个基因以
及 PgDS和 PgPPDS 基因，导致酵母体内能够人工合
成人参皂苷 Ｒg3。向丽等
［26］对三七转录组测序结
果分析，克隆到了 1 条与三萜皂苷合成相关的 GT
基因PnUGT1(JX018210)。该基因编码 495 个氨基
第 2 期 张艳敬，等:人参属药用植物三萜皂苷合成途径关键酶的研究进展 57
酸，InterProScan软件预测该蛋白具有 7 个保守结构
域，包括在植物次生代谢产物中相关 GT 特有的
PSPG保守基序。该基因在三七叶中表达量较在花、
茎和根中的表达量高，推测 PnUGT1 基因可能参与
了三七皂苷的合成。糖基化是三萜皂苷生物合成途
径中最下游的步骤，糖基转移酶的克隆为合成特异
的三萜皂苷类型奠定了良好基础。目前，已经在酿
酒酵母中成功构建出人参皂苷 compound K［27］、Ｒh2
和 Ｒg3
［28］的代谢途径。因此，人参属药用植物的 GT
的深入研究对于人工合成某种特异的人参皂苷具有
重要意义。
3 展望
综上所述，人参属药用植物三萜皂苷生物合成途
径的框架和关键酶已逐渐明晰。可以通过基因过程
手段提高人参细胞或植株关键酶基因的表达量，进而
提高人参皂苷的产量。这些关键酶基因的克隆同时
也为体外合成三萜皂苷提供了最基本的生物元器件，
将这些基因导入合适的底盘细胞并使其高效表达，进
而获得高产量的三萜皂苷。目前，还需要深入挖掘调
控人参皂苷合成途径的一些调控基因，以便找到开启
整个代谢调控网络的总开关，从而整体提高整个代谢
途径的基因表达水平，更加有效地提高人参皂苷产
量。随着功能基因组和代谢组学的不断发展，三萜皂
苷代谢调控途径将会更加清楚，为人参种质资源创新
和中药现代化发展提供理论基础。
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