那可丁生物碱生物合成的分子调控研究进展

陈芳+魏玉杰+张兆萍+苏毓杰+杨振华

摘要 那可丁是药源植物罂粟所独有的生物碱，其药用价值高，且无耐受性和成瘾性，是咳嗽抑制药物和潜在的抗癌药物之一，从植物中提取是其唯一来源，人工无法合成，市场前景非常广阔。目前，国内对药源植物罂粟中那可丁生物碱生物合成的分子调控研究鲜见报道。国外许多研究人员致力于解析那可丁生物碱生物合成途径，并利用现代分子生物技术提高植物中那可丁生物碱的含量与开辟新药源。本文对药源植物罂粟中那可丁生物碱生物合成的分子调控研究进展进行综述，以期为那可丁生物碱生物合成的相关研究提供良好的研究基础与理论依据。

关键词 那可丁；生物合成途径；分子调控；研究进展

中图分类号 S567.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）02-0052-03

Research Progress on Molecular Regulation of Noscapine Biosynthesis

CHEN Fang 1，2 WEI Yu-jie 1，2 ZHANG Zhao-ping 1，2 SU Yu-jie 1，2 YANG Zhen-hua 1，2

（1 Gansu Academy of Agri-engineering Technology，Wuwei Gansu 733000； 2 Key Laboratory of the Special Medicine Source Plant for Germplasm Innovation and Safety Utilization in Gansu Province）

Abstract Noscapine is a peculiar alkaloid in opium poppy. It has very high medicinal value without tolerance and addiction，and it is one of the cough suppression drugs and potential anticancer drugs. Noscapine can only be obtained extracted from plants，can not be ovtificially synthesized，and it has promising market prospects. At present，the research for molecular regulation of noscapine biosynthesis in opium poppy has not been reported interiorly. Many foreign researchers have devoted to analyze the noscapine biosynthetic pathways and use the modern molecular biotechnology to enhance the content of noscapine in plants and develop a new drug source way.This paper reviewed research progress on molecular regulation of noscapine biosynthesis in opium poppy-the medicine source plant，in order to provide the research foundation and theoretical basis for the research of noscapine biosynthesis.

Key words noscapine；biosynthetic pathway；molecular regulation；research progress

那可丁屬阿片类生物碱，英文名Noscapine，结构式C22H23NO7，化学名（—）-（3S，5′R）-6，7-二甲氧基-3-（5，6， 7，8-四氢-4-甲氧基-6-甲基-1′，3′-二氧杂环戊烯[4′，5′g]-5-异喹啉基）-1（3H）-异苯并呋喃酮。按照化学结构分类，那可丁属于四氢异喹啉类生物碱。其结构是由四氢异喹啉环（Up Half）和异苯并呋喃酮（Down Half）两部分构成，分子中有2个手性中心：异苯并呋喃酮的C-3位和四氢异喹啉环的C-5′ 位，存在4个立体异构体。

1817年Robiquett首次从罂粟中分离得到那可丁[1]。罂粟（2n=22，Papaver somniferum L.）为罂粟科一年生或二年生草本植物，是可产生苄基异喹啉生物碱（benzylisoquinoline alkaloids，BIAs）的重要药源植物，罂粟果壳性微寒，味酸涩，有小毒，含少量生物碱，有敛肺、涩肠、止痛的作用。罂粟乳汁中含多种生物碱，其中吗啡（Morphine）、可待因（Codeine）与蒂巴因（Thebaine）等有中枢兴奋、镇痛、镇咳和催眠作用；罂粟碱（papaverine）、那可丁（Noscapine）等对平滑肌有明显的解痉作用[2]。那可丁是一种经典的镇咳药物[3]，并可用于治疗脑卒中和水肿[4]。同时，那可丁具有一定的镇痛活性，但活性低于吗啡和可待因。近10年来，那可丁更多作为新型作用于微管类抗肿瘤药物而得到了系统而广泛的研究，是一种极具前景的抗肿瘤药物[5]。

那可丁药用价值高且无耐受性和成瘾性，由于其化学结构具有2个手性中心，妨碍化学合成，人工无法合成，从植物中提取成为唯一来源[6]。许多研究人员希望通过解析那可丁生物碱合成途径，挖掘参与那可丁生物碱合成与调控的基因或转录因子并结合代谢工程技术来改造植物宿主，以期提高那可丁生物碱产量和开辟新药源[7]。目前，国外对那可丁生物碱生物合成的分子调控研究取得了一定进展，但国内至今对那可丁生物碱合成的分子调控尚无研究。因此，本文将对那可丁生物碱生物合成的分子调控研究进展进行综述，以期为那可丁生物碱合成代谢的相关研究提供良好的研究基础与理论依据。endprint

1 那可丁生物碱的生物合成途径

在罂粟植物中那可丁生物碱是由（S）-去甲乌药碱[（S）-Norcoclaurine]通过一系列酶反应而合成（图1）。那可丁生物合成途径中，中间产物（S）-网状番荔枝碱[（S）-reticuline]经过小檗碱桥酶（BBE）的催化生成（S）-金黄紫堇碱[（S）-scoulerine]；从（S）-金黄紫堇碱开始，经过2步酶催化反应，由1个O-甲基转移酶（SOMT）和1个P450氧化还原酶（CAS）催化合成（S）-四氢小檗碱[（S）-canadine]，其中SOMT催化生成（S）-四氢非洲防己碱[（S）-tetrahydrocolumbamine]，CAS 催化生成（S）-四氢小檗碱；（S）-N-甲基四氢小檗碱[（S）-N-methylcanadine]由N-甲基转移酶（TNMT）催化（S）-四氢小檗碱生成（表1、2）。目前，由（S）-N-甲基四氢小檗碱至罂粟壳碱（narcotoline）的中间产物还不明确，有研究者认为那可丁可能是由罂粟壳碱通过甲基化作用或者上游不确定的中间产物催化而成[8]。

2 那可丁生物碱合成的分子调控研究

近些年关于那可丁生物碱合成的分子调控研究取得了许多突破性的进展。研究表明，SOMT是那可丁生物合成途径中调控（S）-金黄紫堇碱的关键酶，并从罂粟中分离获得了该关键酶基因，抑制SOMT酶基因的转录水平，罂粟中那可丁的积累量明显减小，但（S）-金黄紫堇碱却获得了大量的累积[9]。在那可丁生物合成过程中，CYP酶类同样也是催化那可丁生物碱合成的关键酶类[10-11]，其中CYP719与CYP82 2种酶均与那可丁的生物合成有关联[12]。在这2个关键酶中，CYP719A21是那可丁生物合成途径中调控（S）-四氢非洲防己碱合成（S）-四氢小檗碱的关键酶[13]，抑制CYP719A21酶基因的转录水平，罂粟中那可丁的积累量也明显减小，并且CYP719A21酶基因的表达调控是那可丁生物合成过程中（S）-四氢非洲防己碱合成（S）-四氫小檗碱途径的第1个关键步骤[14]。

目前，尽管（S）-N-甲基四氢小檗碱至那可丁合成途径中的中间产物还不明确，但现已明确的是CYP82是催化原阿片碱异构化形成（S）-N-甲基四氢小檗碱的关键酶类[15]，并且通过对比分析8个不同基因型罂粟中CYP82酶的代谢与转录水平，发现CYP82类酶中有3种酶与那可丁的合成积累存在一一对应的关系[16-18]，其中CYP82Y1酶是唯一一个以（R，S）-N-甲基四氢小檗碱为底物进行催化反应形成那可丁的关键酶，并且CYP82Y1酶也是催化1-羟基化-N-甲基四氢小檗碱合成那可丁的第一步关键酶[19]，它对于建立那可丁生物合成的反应途径具有极其重要的作用[19-21]。相关研究表明，罂粟中CYP82Y1酶基因在茎杆中大量表达，是因为罂粟中主要积累合成那可丁的器官为茎杆；利用基因沉默技术（RNAi）对CYP82Y1酶基因进行调控，干扰CYP82Y1酶基因在罂粟中的转录，罂粟各器官中那可丁的积累量都有所降低，特别是茎杆中那可丁的积累量明显降低[22-23]。此外，干扰CYP82Y1酶基因的转录水平，罂粟中那可丁合成路径下游的生物碱积累量都有所降低，而合成途径上游的（S）-金黄紫堇碱、（S）-四氢小檗碱及（S）-N-甲基四氢小檗碱积累量均有所增加[24]。通过一系列的研究证明了利用分子生物学技术调控罂粟中那可丁生物合成途径中的关键酶基因的可能性与潜力。

3 研究展望

已有研究结果表明，罂粟植物中那可丁生物碱的生物合成受高度有序的发育进程和环境因素等的控制[25]，要想进一步弄清那可丁生物碱合成途径的具体过程，需要解析与其生物合成相关的更多有效关键基因。目前，国内还未开展对罂粟植物中那可丁生物合成的分子调控研究。今后将利用基因工程技术，在分子水平上对调控罂粟植物中那可丁生物碱生物合成的关键酶基因进行研究，建立那可丁生物碱生物合成研究体系，以期通过人为方式改变罂粟植物中那可丁的生物合成过程，培育那可丁生物碱专用型罂粟种植资源，实现我国罂粟栽培专用化，解决药用罂粟种质资源稀缺的瓶颈问题，以满足人们对那可丁生物碱的强大市场需求。

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