藥用植物萜類生物合成β—AS基因研究進展

董占梅　張濤　韓梅

摘要：藥用植物中萜類次生代謝產物種類豐富，數量大，現代藥理活性突出。β-AS作為萜類成分合成過程中的關鍵酶，對藥用植物萜類活性成分生物合成過程起著至關重要的作用。本文系統闡述β-AS的生物學意義、催化機制、β-AS克隆情況、基因結構以及在重要藥用植物中的研究進展。

關鍵詞：β-AS；萜類化合物；藥用植物；基因功能

基金項目：國家自然基金（31270371）

中圖分類號： R284 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.23.050

在高等植物和動物體內含有多種萜類化合物，其在工業生產、臨床，醫療等領域均作為重要原料使用。有研究報道，萜類化合物具有較好的抗腫瘤、抗菌、抗病毒等作用，如青蒿素是治療瘧疾的特效藥[1]，紫杉醇可用于腫瘤的治療[2]，丹參酮對心血管系統疾病有良好的療效并被制成多個劑型供臨床使用[3]等，以上化合物均為萜類化合物。

通過對萜類化合物的生物合成機理研究及合成途徑相關基因的研究為其工業化生產奠定理論基礎。目前對于MVA途徑中β-AS基因的研究鮮有報道，因此本文對β-AS基因的生物學意義、催化機制、β-AS克隆情況、基因結構的研究進行綜述。

1 萜類合成途徑中β-AS的生物學意義

1.1萜類化合物的生物合成途徑

有研究報道萜類化合物生物合成途徑分為兩個步驟：甲羥戊酸（MVA）和丙酮酸途徑（DXP）、氧化角鯊烯環化及環上復雜官能團的修飾。第一步：由乙酰輔酶A在 3-羥基-3-甲基戊二酰CoA合成酶催化合成異戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。第二步：由丙酮酸和甘油醛-3-磷酸在脫氧木酮糖-5-磷酸合成酶和異構酶（DXR）作用形成MEP，然后經過磷酸化等過程，生成IPP，從而由IPP聚合成萜類化合物。IPP和DMAPP 可縮合形成牻牛兒基焦磷酸（GPP）；經法呢基焦磷酸合成酶（FPS）、鯊烯合成酶（SQS）和鯊烯環氧酶（SQE）催化及一系列中間產物合成2，3-氧化鯊烯[4]，2，3-氧化鯊烯經過環化及環上復雜官能團的修飾最終生成各式各樣的萜類化合物[5]。

1.2 β-AS生物學意義

在植物中，人們通過研究β-AS在植物三萜皂苷合成過程中的作用，認為β-AS所催化反應在三萜皂苷合成過程中是一個重要反應。魏小春等[6]通過研究β-AS在歐洲山芥三萜皂苷合成量中發現β-AS在植物三萜皂苷合成過程中起到關鍵調節作用。在人參皂苷合成過程中中，達瑪烷型皂苷是人參主要活性成分，而β-AS催化齊墩果烷型皂苷Ro的生物合成。通過生物技術抑制人參β-AS基因表達，可以使代謝能量主要流向達瑪烷型皂苷合成支路，進而提高皂苷含量[7]。

2 植物中β-AS克隆情況

Han[8]等從人參中成功分離到細胞色素家族兩個基因原人參三醇合成酶（CYP716A53v2）、β-香樹素C-28位羥基化酶（CYP716A52v2），并通過農桿菌介導轉化生成轉基因人參植株，使CYP716A52v2基因過表達增加齊墩果烷型人參皂苷Ro產量，而采用RNA干擾技術則使其產量下降，而達瑪烷型人參皂苷沒有受到影響，因此CYP716A52v2在人參皂苷合成途徑中起著關鍵作用。CYP716A53v2的mRNA在人參各個部位均有表達，在重組WAT21酵母中表達，導致含有原人參二醇的培養基中的原人參二醇生成原人參三醇。通過LC/APCIMS檢測確定其為原人參三醇。CYP716A53v2是催化人參皂苷Rg1前體物質的關鍵酶[9]。目前，有40多種β-香樹素合成酶同源基因在不同植物中陸續發現。

3植物中β-AS結構及其催化機制

生物合成三萜類皂苷第一步為OSC環化作用。目前已經從各種不同植物中分離得到了4個編碼OSC的基因（β-AS、DS、LS和CAS）。β-AS編碼的氨基酸具有β-AS香樹脂合成酶基因家族的保守序列，即DCTAE序列和QW序列比對和進化樹分析表明，該基因與擬南芥β-香樹脂合成酶基因的相似性最高，為74%。

4 部分藥用植物中β-AS的研究

研究者已從人參和豌豆中得到兩個與β-AS相似的酶，人參皂苷合成途徑中β-香樹素合成酶（β-AS）催化2，3-氧化角鯊烯生成β-香樹素，經過羥基化和糖基化進而生成齊墩果烷型皂苷。Haralampidis [10]等在研究與產物專一性有關的酶的結構域時發現，β-AS的Trp259通過齊墩果烷陽離于產生突變，其突變導致五環三萜類轉變為組氨酸，而產生四環子調控β-香樹脂的合成；高保守的Tyr261附近的氨基酸殘基易碳骨架的相應殘基的突變導致了達瑪烷型三萜類的合成。

5 展望

隨著分子生物技術手段的迅速發展，研究者對基因的認識越來越深刻。迄今為止，對于萜類化合物生物合成途徑及其相關基因都進行相應研究。OSCs為一個超基因家族，其中包括β-AS、DS、LS和CAS等，β-AS為其中的一員，2，3-氧化鯊烯在OSCs，酶的催化作用下經過環化及糖基化的修飾生成植物甾醇和三萜類化合物。在藥用植物中萜類化合物代謝合成途徑的以處于較為成熟的階段，為研究藥用植物萜類化合物合成途徑機理奠定了基礎。萜類化合物具有重要的藥用價值和經濟價值。明確藥用植物中β-AS的基因的作用機制，有利于闡明帖類化合物在藥用植物中的合成機理，為工業化生產培育萜類化合物含量較高的植物具有指導意義。通過調控萜類化合物生物合成途徑來調控有效成分的合成，能在一定程度上緩解目前中藥資源緊張，利用度低的情況，對于一些經濟價值高的植物，還能創造良好的經濟效益。

參考文獻

[1] Mann V，Harket M，Pecker I，et al. Metabolic engineering of astaxanthin production in tobacco flowers[J]. Nat Biotechnol，2000，18（08）：888.

[2]吳娜，張留，張志平，等.紫杉醇納米制劑的研發進展[J]. 世界臨床藥物，2016（08）： 563-567.

[3] Du G H，Zhang J T. The general situation and progress of the modern research of red sage root （Radix Salviae Miltiorrhizae） [J]. Her Med，2004（23）： 355.

[4] Tansakul P， Shibuya M， Kushiro T et al.Dammarenediol synthase， the first dedicated enzyme for ginsenoside biosynthesis， in Panax ginseng. FEBS Lett，2006， 580：5143～5149.

[5] 何云飛，高偉，劉塔斯，等.二萜合酶的研究進展[J]. 藥學學報，2011（09）：1019-1025.

[6] 魏小春，張曉輝，吳青君，等.歐洲山芥皂苷合成關鍵酶基因Bv-beta-AS克隆及表達分析[J].園藝學報，2012（05）： 923-930.

[7] 趙壽經，侯春喜，徐立新，等.抑制齊墩果烷型人參皂苷合成支路對達瑪烷型人參皂苷生產能力的影響[J].吉林大學學報（工學版），2011（03）： 865-868.

[8] Han J Y，Hwang H S，Choi S W，et al. Cytochrome P450 CYP716A53v2 catalyzes the formation of protopanaxatriol from protopanaxadiol during ginsenoside biosynthesis in Panax ginseng[J]. Plant Cell Physiol. 2012， 53（9）：1535-1545.

[9]張濤.生態因子對人參CYP716A52v2和CYP716A53v2基因表達量及皂苷含量影響[D].吉林農業大學，2016.

[10] Haralampidis， K， et al， A new class of oxidosqualene cyclases directs synthesis of antimicrobial phytoprotectants in monocots[J]. Proc Natl Acad Sci U S A， 2001. 98（23）： p. 13431-6.

作者簡介：董占梅，吉林省公安廳物證鑒定中心，講師，研究方向：藥用植物分子生物學研究。

通訊作者：韓梅，博士，長春市吉林農業大學，博士生導師，研究方向：藥用植物