Recent advances in biosynthesis of bioactive compounds in traditional Chinese medicinal plants
- 作者
- Lei Yang, Changqing Yang, Chenyi Li, Qing Zhao, Ling Liu, Xin Fang, Xiao-Ya Chen
- 单位
- Plant Science Research Center, Shanghai Chenshan Botanical Garden, Shanghai Key Laboratory of Plant Functional Genomics and Resources, Shanghai 201602, China; National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics and National Center for Plant Gene Research, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
- 杂志
- Science Bulletin（2015）
- DOI
- 10.1007/s11434-015-0929-2
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
传统中药植物中生物活性化合物（苯丙素类、萜类、生物碱类）的生物合成途径尚未完全阐明，导致这些高价值天然产物供应不足，难以大规模可持续生产。
研究策略
综述近年来利用分子生物学、基因组学、功能基因组学及高通量分析化学技术，对药用植物中苯丙素类、萜类和生物碱类化合物的生物合成途径、关键酶和转录因子进行解析的研究进展。
核心内容
该综述聚焦于传统中药植物中生物活性化合物的生物合成研究进展，系统梳理了苯丙素类、萜类和生物碱类三大类天然产物的代谢途径解析策略。作者整合分子生物学、基因组学、功能基因组学及高通量分析化学手段，重点阐述了关键酶基因的克隆与功能鉴定，以及转录因子对代谢通路的调控机制。在苯丙素途径中，多个来自欧芹、甘草、黄芩、葛根和苦参等植物的酶与调控因子被鉴定，如黄酮合酶、异戊烯基转移酶及R2R3-MYB类转录因子；在萜类途径中，丹参转录组测序获得56774个unigenes，并预测出40个参与IPP/DMAPP合成的基因，黄瓜全基因组关联分析则定位了控制葫芦素C生物合成的9基因模块，其中4个酶和2个bHLH转录因子得到功能验证。此外，在酵母中异源共表达CYP71AV1与CYB5可显著提升青蒿酸和青蒿醛的产量。该文指出，随着组学技术和合成生物学工具的飞速发展，药用植物复杂代谢途径的解析正加速推进，为利用微生物细胞工厂大规模、低成本生产青蒿素、丹参酮、紫杉醇等高价值活性化合物奠定了重要基础，对缓解天然产物供应短缺和植物资源保护具有深远意义。
创新点
系统总结了中药植物中三大类天然产物的生物合成研究进展，重点介绍了苯丙素和萜类途径中关键酶的克隆与功能鉴定，以及转录因子对代谢途径的调控机制；同时讨论了利用合成生物学平台在微生物中异源生产这些化合物的策略。
研究对象（40）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Petroselinum crispum | 苯丙素代谢/黄酮合成 | FNS I | 黄酮合酶I | 催化 | 2-氧戊二酸依赖性双加氧酶，催化黄烷酮生成黄酮 |
| Glycyrrhiza echinata | 黄酮合成 | CYP93B1 | 黄烷酮2-羟化酶 | 催化 | FNS II 类型，催化黄烷酮2-羟基化，产物经脱水生成黄酮 |
| Glycyrrhiza echinata | 异黄酮合成 | CYP93C2 | 2-羟基异黄烷酮合酶 | 催化 | 催化黄烷酮向异黄酮骨架转化 |
| Scutellaria baicalensis | 黄酮合成 | SbMYB8 | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 调控黄芩素等黄酮类化合物的积累 |
| Pueraria lobata | 异黄酮合成 | GT04F14 | UDP-糖基转移酶 | 催化 | 具有广泛的底物糖基化活性，区域特异性生成7-O-葡萄糖苷 |
| Pueraria lobata | 异黄酮合成 | HID | 2-羟基异黄烷酮脱水酶 | 催化 | 候选基因，可能参与葛根素生物合成 |
| Sophora flavescens | 异戊烯基黄酮合成 | SfN8DT-1 | 柚皮素8-异戊烯基转移酶 | 催化 | 第一个鉴定的黄酮类异戊烯基转移酶，以DMAPP为底物 |
| Sophora flavescens | 异戊烯基黄酮合成 | SfG6DT | 异黄酮特异异戊烯基转移酶 | 催化 | 催化染料木素6位异戊烯基化 |
| Sophora flavescens | 异戊烯基黄酮合成 | SfiLDT | 异甘草素二甲基烯丙基转移酶 | 催化 | 催化异甘草素的异戊烯基化 |
| Epimedium sagittatum | 黄酮合成 | EsMYBA1 | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 与EsGL3、EsTTG1协同调控花青素和黄酮醇衍生生物活性成分合成 |
| Epimedium sagittatum | 黄酮合成 | EsMYBF1 | R2R3-MYB转录因子 | 调控 | 参与黄酮醇生物合成调控 |
| Salvia miltiorrhiza | 酚酸合成 | SmRAS | 迷迭香酸合酶 | 催化 | BAHD家族酰基转移酶，催化4-香豆酰辅酶A与DHPL缩合 |
| Salvia miltiorrhiza | 酚酸合成 | SmCYP98A14 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化3-羟基化形成迷迭香酸 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | ADS | 紫穗槐-4,11-二烯合酶 | 催化 | 催化FPP环化形成青蒿素骨架 |
| Saccharomyces cerevisiae | 倍半萜生物合成（青蒿素） | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 在酵母中催化紫穗槐二烯连续氧化生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸 |
| Saccharomyces cerevisiae | 倍半萜生物合成（青蒿素） | CYB5 | 细胞色素b5 | 催化 | 与CYP71AV1共表达显著提高青蒿酸和青蒿醛产量 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | Dbr2 | 青蒿醛Δ11(13)还原酶 | 催化 | 催化青蒿醛还原为二氢青蒿醛 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | ADH1 | 醇脱氢酶1 | 催化 | 氧化青蒿醇生成青蒿醛 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | AaERF1 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 茉莉酸响应，结合ADS和CYP71AV1启动子中的CBF2/RAA基序，上调表达 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | AaERF2 | AP2/ERF转录因子 | 调控 | 与AaERF1功能类似，正向调控青蒿素合成 |
| Artemisia annua | 倍半萜生物合成（青蒿素） | AaWRKY1 | WRKY转录因子 | 调控 | 结合ADS启动子W-box，参与青蒿素生物合成调控 |
| Pogostemon cablin | 倍半萜生物合成 | PatTPS | 广藿香醇合酶 | 催化 | 催化FPP生成广藿香醇（主要产物）及至少13种倍半萜 |
| Pogostemon cablin | 倍半萜生物合成 | miR156/SPL | SQUAMOSA启动子结合蛋白样因子 | 调控 | 年龄依赖性调控广藿香醇合酶表达，miR156抗性SPL加速成熟并促进广藿香油产生 |
| Salvia miltiorrhiza | 二萜生物合成（丹参酮） | SmKSL | 贝壳杉烯合酶样二萜合酶 | 催化 | 催化CPP生成次丹参酮二烯 |
| Salvia miltiorrhiza | 二萜生物合成（丹参酮） | CYP76AH1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化次丹参酮二烯氧化为铁锈醇 |
| Salvia miltiorrhiza | 二萜生物合成（丹参酮） | SmCPS1 | 柯巴基二磷酸合酶 | 催化 | 根中特异参与丹参酮生物合成 |
| Taxus | 二萜生物合成（紫杉醇） | TASY | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 催化GGPP环化生成taxa-4(5),11(12)-diene |
| Taxus | 二萜生物合成（紫杉醇） | DBAT | 10-去乙酰巴卡亭III-10-O-乙酰转移酶 | 催化 | 紫杉醇合成途径中的乙酰化酶 |
| Taxus | 二萜生物合成（紫杉醇） | TcJAMYC1/2/4 | bHLH转录因子 | 调控 | 在栽培细胞中负调控紫杉醇生物合成 |
| Panax ginseng | 三萜生物合成（人参皂苷） | SS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 催化两分子FPP缩合生成角鲨烯，是甾醇和三萜生物合成的关键限速酶 |
| Panax ginseng | 三萜生物合成（人参皂苷） | SE | 角鲨烯环氧酶 | 催化 | 催化角鲨烯环氧化生成2,3-氧化角鲨烯 |
| Panax ginseng | 三萜生物合成（人参皂苷） | DS | 达玛烯二醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成达玛烯二醇-II，是达玛烷型人参皂苷合成的第一个专一酶 |
| Panax ginseng | 三萜生物合成（人参皂苷） | PNY1 | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯生成β-香树脂醇，进入齐墩果烷型人参皂苷合成 |
| Panax ginseng | 三萜生物合成（人参皂苷） | PgPDR | ABC转运蛋白 | 转运 | 茉莉酸甲酯诱导表达，参与人参皂苷的积累或转运 |
| Cucumis sativus | 三萜生物合成（葫芦素） | Bi | 氧化角鲨烯环化酶 | 催化 | 与葫芦素C生物合成相关，由115份黄瓜品系GWAS鉴定 |
| Cucumis sativus | 三萜生物合成（葫芦素） | Bl | bHLH转录因子 | 调控 | 直接调控叶片中9基因葫芦素合成模块的表达 |
| Cucumis sativus | 三萜生物合成（葫芦素） | Bt | bHLH转录因子 | 调控 | 调控果实中苦味基因模块，驯化中启动子突变导致果实不苦 |
| Glycyrrhiza glabra | 三萜生物合成（甘草酸） | CYP88D6 | β-香树脂醇11-氧化酶 | 催化 | 催化β-香树脂醇C-11位连续两步氧化生成11-氧-β-香树脂醇 |
| Glycyrrhiza glabra | 三萜生物合成（甘草酸） | CYP72A154 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化11-氧-β-香树脂醇C-30位三步氧化生成甘草次酸 |
关键发现
- 全球约30万种高等植物中约10%分布于中国
- 《本草纲目》记载超过1000种药用植物
- 植物界约有20万种次级代谢产物。黄酮类超过9000种，萜类超过36000种，生物碱超过12000种。在丹参中通过转录组测序获得56774个unigenes，基因组预测40个参与IPP/DMAPP合成的基因。黄瓜中通过115个品系的全基因组关联分析鉴定出控制葫芦素C生物合成的9基因模块，其中4个酶（Bi、两个P450、一个ACT）和两个bHLH转录因子（Bl、Bt）被表征。在酵母中共表达CYP71AV1与CYB5可显著提高青蒿酸和青蒿醛产量。青蒿素、丹参酮、紫杉醇、人参皂苷、甘草酸等途径的关键酶和调控因子已被克隆和鉴定。
研究结论
随着高通量测序、代谢组学和合成生物学技术的快速发展，药用植物特殊代谢产物生物合成途径的解析将加速，为利用微生物或植物细胞工厂大规模、低成本生产高价值活性化合物提供基础，有助于人类健康和植物资源保护。