Progress in understanding of ginsenoside biosynthesis
- 作者
- Y. Liang, S. Zhao
- 单位
- College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun, China
- 杂志
- Plant Biology（2008）
- DOI
- 10.1111/j.1438-8677.2008.00064.x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
人参皂苷生物合成途径尚不完全清楚，且人参栽培困难、细胞和组织培养产量低，需要基于生物合成途径的代谢工程来提高人参皂苷产量。
研究策略
系统综述人参皂苷的结构分类、生物合成途径（MVA和MEP途径）、关键酶基因的克隆与功能研究进展，并讨论代谢工程策略。
核心内容
该研究系统综述了人参皂苷生物合成途径的解析进展及其代谢工程应用潜力。人参皂苷作为人参主要活性成分，全球市场约35亿美元，己分离超过40种。研究聚焦MVA和MEP两条异戊二烯前体途径及关键酶基因的克隆功能验证。鲨烯合酶PgSS1 cDNA长1476 bp，编码415个氨基酸，异源过表达于刺五加使三萜皂苷含量提升2至2.5倍；达玛烷二醇合酶DS作为达玛烷型人参皂苷合成的第一个专一酶，其ORF长2310 bp，RNA干扰使人参根中皂苷产量降至84.5%。此外，PNY1 β-香树脂醇合酶Tyr261单氨基酸突变可将产物从五环三萜转变为四环达玛烷型，揭示该类酶催化特异性关键位点。研究明确SS和DS是调控人参皂苷合成的关键限速酶，过表达或沉默可显著改变产量，但MEP途径在人参中的具体贡献及后期羟基化和糖基化修饰仍需结合基因组学与酶学研究进一步阐明，为利用代谢工程和合成生物学手段提高人参皂苷产量奠定了途径基础。
创新点
总结了达玛烷二醇合酶（DS）作为人参皂苷生物合成第一个专一酶的关键作用；通过过表达鲨烯合酶（PgSS1）和RNA干扰DS验证了关键酶功能；提出利用EST和BAC文库等基因组学资源加速途径解析。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Panax ginseng | 甲羟戊酸（MVA）途径 | HMGR | 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 | 催化 | 参与IPP合成，EST分析发现的候选基因 |
| Panax ginseng | 异戊二烯生物合成途径 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化DMAPP与IPP缩合生成FPP |
| Panax ginseng | 三萜生物合成途径 | PgSS1 | 鲨烯合酶 | 催化 | 催化FPP生成鲨烯，过表达增强植物甾醇和人参皂苷含量 |
| Panax ginseng | 三萜生物合成途径 | SE | 鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化鲨烯生成2,3-氧化鲨烯 |
| Panax ginseng | 达玛烷型人参皂苷生物合成 | DS | 达玛烷二醇-II合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯生成达玛烷二醇，是人参皂苷生物合成第一个专一酶；RNAi使产量降至84.5% |
| Panax ginseng | 齐墩果烷型人参皂苷生物合成 | βAS (PNY1/PNY2) | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯生成β-香树脂醇，Tyr261为关键残基 |
| Panax ginseng | 甾醇生物合成 | CS/CAS | 环阿屯醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化鲨烯生成环阿屯醇，为植物甾醇前体 |
| Panax ginseng | 甾醇生物合成 | PNZ1 | 羊毛甾醇合酶 | 催化 | 人参中发现的羊毛甾醇合酶cDNA（AB009031） |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成（后修饰） | CYP450 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 可能参与人参皂苷骨架的羟基化反应 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成（后修饰） | GT | 糖基转移酶 | 催化 | 可能参与人参皂苷的糖基化反应 |
| Eleutherococcus senticosus | 三萜皂苷生物合成 | PgSS1 (来自 Panax ginseng) | 鲨烯合酶 | 催化 | 异源过表达使植物甾醇和三萜皂苷含量增加2至2.5倍 |
| Saccharomyces cerevisiae GIL77 | 三萜生物合成 | DS (来自 Panax ginseng) | 达玛烷二醇-II合酶 | 催化 | 异源表达验证DS功能（羊毛甾醇合酶缺陷型菌株） |
关键发现
- 全球人参市场约35亿美元
- 已分离超过40种人参皂苷。PgSS1 cDNA长1476 bp，编码415个氨基酸，预测分子量47 kDa
- 异源过表达PgSS1于刺五加中使植物甾醇和三萜皂苷含量增加2至2.5倍
- DS（dammarenediol-II synthase）ORF长2310 bp，编码770个氨基酸，预测分子量88.3 kDa
- RNA干扰DS使人参根中人参皂苷产量降至84.5%
- PNY1 β-香树脂醇合酶中Tyr261单氨基酸突变导致产物从五环三萜转变为达玛烷型四环三萜
- DS酶活性在pH 6.0时最高。
研究结论
人参皂苷生物合成途径已逐步阐明，MVA和MEP途径可能均参与，但人参中MEP途径尚待研究。鲨烯合酶（SS）和达玛烷二醇合酶（DS）是调控人参皂苷生物合成的关键酶，通过过表达或基因沉默可显著改变人参皂苷含量。未来需结合基因组学和酶学手段进一步解析后期羟基化和糖基化修饰步骤。