Cytochrome P450 gene family: cross-pathway functional conservation, novel catalytic reactions, and synthetic biology-driven applications in plant secondary metabolism
- 作者
- Lang Chen, Yingying Zhao, Sujing He, Jialing Lei, Hongwei Li, Zhizhai Liu, Liang Zhang, Liwen Yang, Kuanping Deng, Runlan Wan, Delin Xu
- 单位
- Department of Medical Instrumental Analysis, School of Preclinical Medicine of Zunyi Medical University, Zunyi, Guizhou, China; Basic Medical Sciences Center for Integrated Research and Practical Innovation, School of Preclinical Medicine of Zunyi Medical University, Zunyi, Guizhou, China; Zunyi Academy of Agricultural Sciences, Zunyi, Guizhou, China; College of Agronomy and Biotechnology of Southwest University, Chongqing, China; School of Food and Bioengineering, Food Microbiology Key Laboratory of Sichuan Province, Xihua University, Chengdu, China; School of Medicine, Southwest Jiaotong University, Chengdu, China; The Affiliated Hospital of Southwest Medical University, Luzhou, Sichuan, China
- 杂志
- Frontiers in Plant Science（2026）
- DOI
- 10.3389/fpls.2026.1765290
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
尽管细胞色素P450（CYP）在植物萜类、黄酮和生物碱等次生代谢物生物合成中催化关键反应，但其精确催化机制和调控网络仍不清楚；同时底物特异性窄、电子传递效率低、异源表达瓶颈等问题限制了高价值次生代谢物的规模化生产。
研究策略
系统综述CYP家族分类、结构特征和催化多样性，分析其转录调控和环境信号响应，提出将CYP酶工程与代谢通路优化相结合的综合策略，并探讨合成生物学和机器学习等新兴技术在CYP功能表征与次生代谢物生物制造中的应用。
研究路线图
核心内容
该研究系统综述了植物细胞色素P450（CYP）酶家族在次生代谢中的功能与催化机制，并提出了结合合成生物学与机器学习的工程化策略。公共数据库已注释超过30万条CYP序列，分布于670多个家族。研究发现CYP酶在萜类、黄酮和生物碱生物合成中表现出跨通路功能保守性，并鉴定出多种新型催化反应，包括Baeyer-Villiger氧化、非氧化异构化和骨架重排等。关键案例包括CYP71AV1催化amorpha-4,11-diene连续氧化生成青蒿酸，CYP716A179特异性催化β-amyrin的C-28氧化生成甘草酸直接前体，以及CYP725A4催化紫杉二烯C-5α羟基化并形成新型环醚化合物。研究进一步提出将CYP酶工程与代谢通路优化整合的CYP中心化平台，借助机器学习突破底物特异性窄和异源表达瓶颈。该工作为高价值植物天然产物的可持续规模化生产提供了理论与技术支撑。
创新点
提出CYP中心化的代谢工程平台；揭示CYP跨通路功能保守性；归纳新型CYP催化反应（如Baeyer-Villiger氧化、非氧化异构化、骨架重排）；提出结合合成生物学与机器学习的CYP工程化策略。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Gossypium hirsutum | 萜类化合物（棉酚）生物合成 | CYP71BE79 | CYP71BE79 | 催化 | 催化棉酚前体氧化，参与病害防御 |
| Zea mays L. | 萜类化合物（zealexins）生物合成 | CYP71Z18 | CYP71Z18 | 催化 | 催化dolabradiene氧化生成zealexins，增强抗菌能力 |
| Glycyrrhiza uralensis | 萜类化合物（甘草酸）生物合成 | CYP716A179 | CYP716A179 | 催化 | 催化β-amyrin的C-28氧化，生成甘草酸前体 |
| Tripterygium wilfordii | 萜类化合物（雷公藤甲素）生物合成 | CYP712K1 | CYP712K1 | 催化 | 催化friedelin的C-3羟基化，促进抗癌物质产生 |
| Tripterygium wilfordii | 萜类化合物（雷公藤甲素）生物合成 | CYP712K2 | CYP712K2 | 催化 | 与CYP712K1功能相似，催化friedelin羟基化 |
| Tripterygium wilfordii | 萜类化合物（二萜中间体）生物合成 | CYP712K3 | CYP712K3 | 催化 | 氧化二萜中间体，参与防御相关代谢物积累 |
| Artemisia annua | 萜类化合物（青蒿素）生物合成 | CYP71AV1 | CYP71AV1 | 催化 | 催化amorpha-4,11-diene连续氧化生成青蒿酸 |
| Camptotheca acuminata | 萜类化合物（五环三萜）生物合成 | CYP716C49 | CYP716C49 | 催化 | 催化oleanolic acid的C-16β-羟基化，促进五环三萜合成 |
| Salvia miltiorrhiza Bunge | 萜类化合物（丹参酮）生物合成 | CYP76AH1 | CYP76AH1 | 催化 | 催化miltiraidiene的C-11和C-12羟基化，生成丹参酮前体 |
| Medicago truncatula | 萜类化合物（三萜皂苷）生物合成 | CYP93E2 | CYP93E2 | 催化 | 催化β-amyrin的C-24羟基化生成sapogenol，CRISPR敲除导致皂苷含量显著降低 |
| Panax ginseng | 萜类化合物（人参皂苷）生物合成 | CYP716A47 | CYP716A47 | 催化 | 催化dammarenediol-II的C-12羟基化生成原人参二醇（PPD） |
| Panax ginseng | 萜类化合物（人参皂苷）生物合成 | CYP716A53v2 | CYP716A53v2 | 催化 | 催化dammarenediol-II的C-6羟基化生成原人参三醇（PPT） |
| Vitex agnus-castus | 萜类化合物（vitexilactone）生物合成 | CYP76AH54 | CYP76AH54 | 催化 | 催化clerodane型二萜前体C-6β羟基化，形成抗炎二萜 |
| Vitex agnus-castus | 萜类化合物（vitexilactone）生物合成 | CYP71D180 | CYP71D180 | 催化 | 催化clerodane型二萜前体C-16羟基化，与CYP76AH54协同 |
| Taxus | 萜类化合物（紫杉醇）生物合成 | CYP725A4 | CYP725A4 | 催化 | 催化taxadiene的C-5α羟基化，并进一步氧化/环化生成环醚化合物 |
| Solanum tuberosum | 黄酮类化合物（类黄酮/花青素）生物合成 | C4H1 | C4H1 | 催化 | 在红/紫块茎发育早期高表达，催化肉桂酸4-羟基化 |
| Solanum tuberosum | 黄酮类化合物（花青素）生物合成 | F3'5'H | F3'5'H | 催化 | 催化B环3',5'-羟基化，引导代谢流进入花青素分支 |
| Pyrus spp. | 黄酮类化合物（芦丁、杨梅素）生物合成 | PbCYP031195-v2.1 | PbCYP031195-v2.1 | 催化 | 编码黄酮3'-羟化酶(F3'H)，催化二氢山奈酚转化为二氢槲皮素 |
| Scutellaria baicalensis | 黄酮类化合物（黄芩素、汉黄芩素）生物合成 | CYP82D511 | CYP82D511 | 催化 | 催化6-羟基化生成黄芩素，并具有7-O-脱甲基酶活性 |
| Citrus spp. | 黄酮类化合物（3'-羟基化黄酮）生物合成 | Ciclev10019637m | CitF3'H | 催化 | UV-B诱导的黄酮3'-羟化酶，沉默显著降低3'-羟基化黄酮水平 |
| Epimedium sagittatum | 黄酮类化合物（花青素）生物合成 | EsF3'H | EsF3'H | 催化 | 催化B环3'-单羟基化，形成矢车菊素型花青素 |
| Camellia sinensis | 黄酮类化合物（儿茶素）生物合成 | CsF3'H | CsF3'H | 催化 | 催化4'-羟基化底物转化为3',4'-二羟基化产物，影响茶风味和抗氧化 |
| Glycine max | 黄酮类化合物（异黄酮）生物合成 | CYP93C2 | CYP93C2 | 催化 | 2-羟基异黄酮合酶，Ser-310和Lys-375介导芳基迁移 |
| Glycine max | 黄酮类化合物（大豆异黄酮）生物合成 | GmCYP93A2 | GmCYP93A2 | 催化 | 催化liquiritigenin生成daidzein，催化效率高于GmCYP93A1 |
| Glycine max | 黄酮类化合物（glyceollin）生物合成 | CYP71D8 | CYP71D8 | 催化 | 催化4-dimethylallylglycinol环化生成glyceollin I |
| Glycine max | 黄酮类化合物（glyceollin）生物合成 | CYP82A2 | CYP82A2 | 催化 | 催化2-dimethylallylglycinol环化生成glyceollin III |
| Dendrobium chrysotoxum/D. catenatum/D. huoshanense | 生物碱（石斛碱）生物合成 | CYP710 | CYP710 | 催化 | 预测催化甾醇C-22去饱和，可能参与石斛碱前体合成 |
| Camptotheca acuminata | 生物碱（喜树碱）生物合成 | CaCYP72A565 | CaCYP72A565 | 催化 | 催化7-脱氧马钱苷酸C-7羟化和C7-C8键裂解，生成马钱苷酸/断马钱苷酸 |
| Camptotheca acuminata | 生物碱（喜树碱）生物合成 | CaC10H | CaC10H | 催化 | 喜树碱10-羟化酶，光依赖电子传递，生成10-羟基喜树碱 |
| Eschscholzia californica | 生物碱（二氢异小檗碱等）生物合成 | EcCYP82P3 | EcCYP82P3 | 催化 | 催化dihydroisoguinanine和dihydrochelerythrine的C-10羟基化 |
| Morus alba | 生物碱（1-脱氧野尻霉素）生物合成 | MaCYP82C169 | MaCYP82C169 | 催化 | 催化(R)-2-甲基哌啶C-7甲基羟基化，起始DNJ多羟基化步骤 |
| Morus alba | 生物碱（1-脱氧野尻霉素）生物合成 | MaCYP71BG22 | MaCYP71BG22 | 催化 | 催化(S)-2-羟甲基哌啶C-4羟基化，完成DNJ多羟基化 |
| Rauvolfia serpentina | 生物碱（perakine）生物合成 | CYP82S18 | CYP82S18 | 催化 | 催化vomilenine的非氧化重排生成perakine，同时具有羟化酶活性 |
| Hordeum vulgare | 生物碱（芦竹碱）生物合成 | CYP76M57 | CYP76M57 | 催化 | 催化色氨酸C2侧链氧化，通过C-N键重排生成3-氨基甲基吲哚（AMI） |
| Hyoscyamus niger | 生物碱（托品烷）生物合成 | CYP80F1 | CYP80F1 | 催化 | 催化(R)-littorine氧化重排生成hyoscyamine aldehyde，兼具羟化酶活性 |
| Solanum lycopersicum | 激素（油菜素甾醇）生物合成 | CYP85A3 | CYP85A3 | 催化 | 催化C-6羟基化及Baeyer-Villiger氧化，形成油菜素内酯七元内酯环 |
| Arabidopsis thaliana | 激素（油菜素甾醇）生物合成 | CYP85A2 | CYP85A2 | 催化 | 与CYP85A3类似，催化C-6羟基化和Baeyer-Villiger氧化 |
| Solanum lycopersicum | 激素（茉莉酸）分解代谢 | CYP94B18 | CYP94B18 | 催化 | 两步氧化茉莉酰异亮氨酸为12-羟基和12-羧基衍生物，减弱信号 |
| Solanum lycopersicum | 激素（茉莉酸）分解代谢 | CYP94B19 | CYP94B19 | 催化 | 与CYP94B18功能冗余，氧化茉莉酸-氨基酸偶联物 |
| Arabidopsis thaliana | 苯丙烷/木质素生物合成 | CYP98A3 | CYP98A3 | 催化 | 催化4-coumaroyl-shikimate的3-羟基化生成caffeoyl-shikimate，连接苯丙烷与木质素合成 |
关键发现
- 公共数据库中已注释超过300,000条CYP序列，分布于670多个家族。
- Solanum tuberosum全基因组分析鉴定出253个CYP基因，其中7个参与类黄酮生物合成。
- CYP71AV1催化amorpha-4,11-diene连续氧化生成青蒿酸，是青蒿素生物合成的关键前体。
- CYP716A179特异性催化β-amyrin的C-28氧化生成甘草酸直接前体。
- CYP93E2催化β-amyrin的C-24羟基化，CRISPR敲除导致皂苷含量显著降低。
- CYP76AH54和CYP71D180协同催化clerodane型二萜前体的C-6β和C-16多步羟基化，形成vitexilactone。
- CYP725A4催化taxadiene的C-5α羟基化，并通过氧化和环化生成新型环醚化合物5(12)-oxa-3(11)-cyclotaxane。
- CYP82D511具有7-O-脱甲基酶活性。
- 沉默CitF3'H显著降低3'-羟基化黄酮水平。
- GmCYP93A2比GmCYP93A1具有更高催化效率产生daidzein。
- CYP80F1催化(R)-littorine氧化重排生成hyoscyamine aldehyde。
- CaCYP72A565催化7-脱氧马钱苷酸C-7羟化和C7-C8键裂解。
- MaCYP82C169和MaCYP71BG22协同催化完成1-脱氧野尻霉素（DNJ）生物合成的关键多羟基化。
- CYP76M57催化色氨酸C2侧链氧化生成3-氨基甲基吲哚（AMI）。
- CYP85A3和CYP85A2通过Baeyer-Villiger氧化形成油菜素内酯七元内酯环。
- CYP94B18和CYP94B19两步氧化茉莉酰异亮氨酸减弱其信号。
研究结论
细胞色素P450家族是植物次生代谢网络的核心功能酶，通过跨通路功能保守性和新型催化反应驱动萜类、黄酮和生物碱的结构多样化。将CYP酶工程与代谢通路优化整合，结合合成生物学和机器学习，可有效克服当前CYP功能表征和异源表达瓶颈，为实现高价值植物天然产物的可持续规模化生产提供理论和实践支持。