Plant cytochrome P450s: nomenclature and involvement in natural product biosynthesis
- 作者
- Saiema Rasool, Rozi Mohamed
- 单位
- Forest Biotech Laboratory, Department of Forest Management, Faculty of Forestry, Universiti Putra Malaysia, 43400 UPM, Serdang, Selangor, Malaysia
- 杂志
- Protoplasma（2016）
- DOI
- 10.1007/s00709-015-0884-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
系统阐述植物细胞色素P450家族的命名分类、进化与功能，重点分析其在萜类等天然产物生物合成中的关键作用，为利用代谢工程手段提高药源化合物产量提供理论基础。
研究策略
综述了P450基因超家族的命名规则、系统发育分类（clan家族群）和分布，并结合青蒿素、紫杉醇、人参皂苷、丹参酮等代表性药源化合物的生物合成案例，总结了P450在天然产物途径中的催化功能及异源表达应用。
核心内容
该综述系统梳理了植物细胞色素P450超家族的命名规则、系统发育分类及功能，指出植物基因组中P450数量远多于动物，例如拟南芥含245个、水稻343个，而动物通常不足100个；被子植物中P450约占编码基因的1%，家族、亚家族和等位基因的氨基酸序列一致性阈值分别为≥40%、≥55%和≥97%。文章重点分析了P450在青蒿素、紫杉醇、人参皂苷和丹参酮等药源化合物生物合成中的催化作用，如CYP71AV1与CPR在酿酒酵母中共表达可提高青蒿酸产量，紫杉醇合成涉及约14个CYP基因，CYP716A47和CYP716A53v2依次催化原人参二醇生成，CYP76AH1催化次丹参酮二烯生成铁锈醇。此外，表达哺乳动物CYP2E1的转基因烟草可去除约98%的二溴乙烯，而对照仅63%，杂种杨树过表达CYP2E1可增强污染物代谢。该综述表明，P450作为植物次生代谢网络的核心催化元件，具有丰富的底物特异性和结构修饰潜力，尽管多数P450功能尚未解析，但基因组挖掘与异源表达已展现其在微生物合成药源化合物中的巨大应用前景，未来需进一步阐明其结构、机制与调控，以推动代谢工程在药物生产中的应用。
创新点
全面梳理了植物P450的分类体系（A型与非A型，11个clan），列举了多个参与萜类等次生代谢物合成的P450酶及其在代谢工程中的应用（如酵母生产青蒿酸、紫杉醇前体等）。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | Amorpha-4,11-diene C-12 oxidase | 催化 | 多功能P450，催化amorpha-4,11-diene连续氧化生成青蒿酸；与CPR共表达于酵母可提高青蒿酸产量 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | CYP72A1 | Secologanin synthase | 催化 | 催化裂环马钱素（loganin）形成马钱素苷（secologanin） |
| Catharanthus roseus | 单萜吲哚生物碱生物合成 | CYP76B6 | Geraniol/nerol 10-hydroxylase (G10H) | 催化 | 催化香叶醇/橙花醇10位羟基化，是TIA途径初始步骤 |
| Catharanthus roseus | 萜类吲哚生物碱（TIA）生物合成 | CYP71D12 | Tabersonine 16-hydroxylase | 催化 | 催化他波宁16位羟基化，参与文多灵合成 |
| Salvia miltiorrhiza | 丹参酮生物合成 | CYP76AH1 | Miltiradiene oxidase | 催化 | 催化次丹参酮二烯氧化为铁锈醇（ferruginol），已在酵母中异源表达 |
| Taxus cuspidata | 紫杉醇生物合成 | CYP725A4 | Taxadiene 5α-hydroxylase | 催化 | 催化紫杉二烯C5位羟基化，是紫杉醇氧化的第一步 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成 | CYP716A47 | Protopanaxadiol synthase | 催化 | 催化达玛烯二醇-II羟基化生成原人参二醇 |
| Panax ginseng | 人参皂苷生物合成 | CYP716A53v2 | Protopanaxadiol 6-hydroxylase | 催化 | 将原人参二醇转化为原人参三醇 |
| Medicago truncatula | 三萜皂苷生物合成 | CYP716A12 | β-Amyrin 11-hydroxylase | 催化 | 催化β-香树脂醇氧化，生成齐墩果酸等，为多功能氧化酶 |
| Glycyrrhiza uralensis | 甘草酸生物合成 | CYP88D6 | β-Amyrin 11-oxidase | 催化 | 催化β-香树脂醇C11位氧化，是甘草酸合成的关键步骤 |
| Glycyrrhiza spp. | 甘草酸生物合成 | CYP72A154 | 30-hydroxy-11-oxo-β-amyrin oxidase | 催化 | 催化11-氧代-β-香树脂醇生成甘草次酸苷元 |
| Pinus taeda | 松香二萜树脂酸生物合成 | CYP720B1 | Abietadienol/abietadienal oxidase | 催化 | 多功能酶，催化abietadienol/醛氧化成含氧二萜 |
| Helianthus tuberosus | 除草剂代谢/植物修复 | CYP76B1 | Phenylurea herbicide hydroxylase | 催化 | 催化绿麦隆等N-脱甲基化，用于植物修复 |
| Arabidopsis thaliana | 茉莉酸生物合成 | CYP74A | Allene oxide synthase (AOS) | 催化 | 催化氢过氧化物形成丙二烯氧化物，进入茉莉酸途径 |
| Arabidopsis thaliana | ABA代谢 | CYP707A | ABA 8'-hydroxylase | 催化 | 催化ABA分解，参与干旱等胁迫响应 |
| Arabidopsis thaliana | 细胞分裂素生物合成 | CYP735A1 | Cytokinin hydroxylase | 催化 | 催化异戊烯基腺嘌呤核苷酸转化为反式玉米素 |
关键发现
- 论文含以下具体数据和事实：(1) 植物基因组中P450数量：拟南芥245个、水稻343个、卷柏227个、小立碗藓71个，而动物基因组中通常不足100个
- 在被子植物中P450约占编码基因的1%
- P450家族、亚家族和等位基因的氨基酸序列一致性阈值分别为≥40%、≥55%、≥97%
- 表达哺乳动物CYP2E1的转基因烟草能去除约98%的二溴乙烯，而对照仅去除63%
- 紫杉醇生物合成涉及约14个CYP基因
- CYP71AV1与CPR在酿酒酵母中共表达可提高青蒿酸的产量
- CYP716A47催化原人参二醇生成，CYP716A53v2将原人参二醇转化为原人参三醇
- CYP76AH1催化次丹参酮二烯生成铁锈醇
- 木本植物杂种杨树过表达CYP2E1可增强对三氯乙烯等多种污染物的代谢。
研究结论
P450酶是植物次生代谢网络中的核心催化元件，其功能多样性和底物特异性为天然产物的结构修饰提供了丰富工具。尽管许多P450功能尚未明确，但已有的基因组挖掘和异源表达研究已证明其在药源化合物微生物合成中的巨大潜力；未来需要进一步解析P450的结构、机制及调控，从而推动代谢工程在药物生产中的应用。