药用植物萜类生物合成β-AS基因研究进展

董占梅，张涛韩梅

（1.吉林省公安厅物证鉴定中心，吉林长春130051；2.吉林农业大学中药材学院，吉林长春130118）

药用植物萜类生物合成β-AS基因研究进展

董占梅1，张涛2，韩梅2*

（1.吉林省公安厅物证鉴定中心，吉林长春130051；2.吉林农业大学中药材学院，吉林长春130118）

药用植物中萜类次生代谢产物种类丰富，数量大，现代药理活性突出。β-AS作为萜类成分合成过程中的关键酶，对药用植物萜类活性成分生物合成过程起着至关重要的作用。本文系统阐述β-AS的生物学意义、催化机制、β-AS克隆情况、基因结构以及在重要药用植物中的研究进展。

β-AS；萜类化合物；药用植物；基因功能

在高等植物和动物体内含有多种萜类化合物，其在工业生产、临床，医疗等领域均作为重要原料使用。有研究报道，萜类化合物具有较好的抗肿瘤、抗菌、抗病毒等作用，如青蒿素是治疗疟疾的特效药[1]，紫杉醇可用于肿瘤的治疗[2]，丹参酮对心血管系统疾病有良好的疗效并被制成多个剂型供临床使用[3]等，以上化合物均为萜类化合物。

通过对萜类化合物的生物合成机理研究及合成途径相关基因的研究为其工业化生产奠定理论基础。目前对于MVA途径中β-AS基因的研究鲜有报道，因此本文对β-AS基因的生物学意义、催化机制、β-AS克隆情况、基因结构的研究进行综述。

1 萜类合成途径中β-AS的生物学意义

1.1 萜类化合物的生物合成途径

有研究报道萜类化合物生物合成途径分为两个步骤：甲羟戊酸(MVA)和丙酮酸途径(DXP)、氧化角鲨烯环化及环上复杂官能团的修饰。第一步：由乙酰辅酶A在 3-羟基-3-甲基戊二酰CoA合成酶催化合成异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。第二步：由丙酮酸和甘油醛-3-磷酸在脱氧木酮糖-5-磷酸合成酶和异构酶（DXR）作用形成MEP，然后经过磷酸化等过程，生成IPP，从而由 IPP聚合成萜类化合物。IPP和DMAPP可缩合形成牻牛儿基焦磷酸（GPP）；经法呢基焦磷酸合成酶（FPS）、鲨烯合成酶（SQS）和鲨烯环氧酶（SQE）催化及一系列中间产物合成2,3-氧化鲨烯[4]，2,3-氧化鲨烯经过环化及环上复杂官能团的修饰最终生成各式各样的萜类化合物[5]。

1.2 β-AS生物学意义

在植物中，人们通过研究β-AS在植物三萜皂苷合成过程中的作用，认为β-AS所催化反应在三萜皂苷合成过程中是一个重要反应。魏小春等[6]通过研究 β-AS在欧洲山芥三萜皂苷合成量中发现β-AS在植物三萜皂苷合成过程中起到关键调节作用。在人参皂苷合成过程中中，达玛烷型皂苷是人参主要活性成分，而β-AS催化齐墩果烷型皂苷Ro的生物合成。通过生物技术抑制人参 β-AS基因表达，可以使代谢能量主要流向达玛烷型皂苷合成支路，进而提高皂苷含量[7]。

2 植物中β-AS克隆情况

Han[8]等从人参中成功分离到细胞色素家族两个基因原人参三醇合成酶（CYP716A53v2）、β-香树素 C-28位羟基化酶（CYP716A52v2），并通过农杆菌介导转化生成转基因人参植株，使CYP716A52v2基因过表达增加齐墩果烷型人参皂苷Ro产量，而采用RNA干扰技术则使其产量下降，而达玛烷型人参皂苷没有受到影响，因此CYP716A52v2在人参皂苷合成途径中起着关键作用。CYP716A53v2的mRNA在人参各个部位均有表达，在重组WAT21酵母中表达，导致含有原人参二醇的培养基中的原人参二醇生成原人参三醇。通过LC/APCIMS检测确定其为原人参三醇。CYP716A53v2是催化人参皂苷 Rg1前体物质的关键酶[9]。目前，有 40多种 β-香树素合成酶同源基因在不同植物中陆续发现。

3 植物中β-AS结构及其催化机制

生物合成三萜类皂苷第一步为OSC环化作用。目前已经从各种不同植物中分离得到了4个编码OSC的基因（β-AS、DS、LS和 CAS）。β-AS编码的氨基酸具有 β-AS香树脂合成酶基因家族的保守序列，即DCTAE序列和QW序列比对和进化树分析表明，该基因与拟南芥β-香树脂合成酶基因的相似性最高，为74%。

4 部分药用植物中β-AS的研究

研究者已从人参和豌豆中得到两个与β-AS相似的酶，人参皂苷合成途径中 β-香树素合成酶（β-AS）催化 2,3－氧化角鲨烯生成β-香树素，经过羟基化和糖基化进而生成齐墩果烷型皂苷。Haralampidis[10]等在研究与产物专一性有关的酶的结构域时发现，β-AS的Trp259通过齐墩果烷阳离于产生突变，其突变导致五环三萜类转变为组氨酸，而产生四环子调控 β-香树脂的合成；高保守的 Tyr261附近的氨基酸残基易碳骨架的相应残基的突变导致了达玛烷型三萜类的合成。

5 展望

随着分子生物技术手段的迅速发展，研究者对基因的认识越来越深刻。迄今为止，对于萜类化合物生物合成途径及其相关基因都进行相应研究。OSCs为一个超基因家族，其中包括β-AS、DS、LS和CAS等，β-AS为其中的一员，2,3-氧化鲨烯在OSCs，酶的催化作用下经过环化及糖基化的修饰生成植物甾醇和三萜类化合物。在药用植物中萜类化合物代谢合成途径的以处于较为成熟的阶段，为研究药用植物萜类化合物合成途径机理奠定了基础。萜类化合物具有重要的药用价值和经济价值。明确药用植物中β-AS的基因的作用机制，有利于阐明帖类化合物在药用植物中的合成机理，为工业化生产培育萜类化合物含量较高的植物具有指导意义。通过调控萜类化合物生物合成途径来调控有效成分的合成，能在一定程度上缓解目前中药资源紧张，利用度低的情况，对于一些经济价值高的植物，还能创造良好的经济效益。

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[6]魏小春,张晓辉,吴青君,等.欧洲山芥皂苷合成关键酶基因 Bv-beta-AS克隆及表达分析 [J].园艺学报,2012(05): 923-930.

[7]赵寿经,侯春喜,徐立新,等.抑制齐墩果烷型人参皂苷合成支路对达玛烷型人参皂苷生产能力的影响[J].吉林大学学报(工学版)，2011(03):865-868.

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[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.

国家自然基金（31270371）

R284

A

10.14025/j.cnki.jlny.2016.23.050

董占梅，吉林省公安厅物证鉴定中心，讲师，研究方向：药用植物分子生物学研究。

韩梅，博士，长春市吉林农业大学，博士生导师，研究方向：药用植物