西红花苷生物合成途径研究进展

苏玉秀，李军，高广春(通讯作者)

（1.嘉兴学院 医学院，浙江 嘉兴；2.嘉兴职业技术学院 现代农业学院，浙江 嘉兴）

0 引言

西红花（学名：Crocus sativusL.），是一种鸢尾科番红花属的多年生花卉，又称藏红花、番红花。西红花原生于亚洲西南部，最早由希腊人人工栽培。主要分布在欧洲、地中海及中亚等地，在我国已有悠久的栽培使用史，在《本草纲目》中已有记载。其药用部位为柱头，75,000朵花才可收集0.45公斤（1磅）番红花柱头，因而在我国作为名贵的中药材使用。

其味甘性平，能活血化瘀，散郁开结，止痛，用于治疗忧思郁结，胸膈痞闷，伤寒发狂，惊怖恍惚等。随着现代医学的发展，西红花的众多药理学作用也得到研究，如对血液系统的作用：抗血凝作用。能延长血浆凝血酶原及活化部分凝血活酶时间（aPTT），抑制ADP和胶原诱导的血小板聚集，加速尿激酶及纤维蛋白溶酶的纤溶作用；对子宫的作用：对子宫有兴奋作用，引起子宫节律性收缩，提高紧张性与兴奋性，大剂量时出现痉挛性收缩，对已受孕子宫则更为敏感。其子宫兴奋作用可被乙磺酸麦角毒碱部分阻断，阿托品对其无影响；对循环系统的作用：有降低血压，兴奋呼吸系统作用，对心血管系统的作用与其中含多量的钾盐有关。亦有报道，西红花的花被、雄蕊及其花粉可以不同程度的扩张离体冠状血管。西红花在临床上更多被用于治疗心血管疾病及脂肪肝等疾病。

西红花的主要活性成分为以西红花酸及其糖苷衍生物类胡萝卜素类化合物，包括：西红花苷、西红花酸、藏花醛、藏红花苦素[1]。其中西红花苷已被药典规定作为评价西红花品质的主要活性指标，因而对于西红花苷的研究，尤其是对于西红花苷的生物合成途径研究，正在吸引着众多研究人员（图1、图2）。

图1 关于西红花苷研究，历年所发表文献—来源于中国知网

图2 西红花苷研究相关文献主题分布图—来源于中国知网

1 西红花苷的结构

脱辅基类胡萝卜素化合物西红花苷，是西红花的主要活性成分。纯净的西红花苷为红色晶体，易溶于水成透明黄色溶液，可溶于乙醇和丙二醇，不溶于油脂。化学性质稳定，不易分解，色调几乎不受pH值的影响，在酸性介质和碱性介质中都比β-胡萝卜素稳定，碱性时黄色更鲜明。最大吸收波长为440nm。耐盐性、耐还原性、耐微生物性均好，耐热、耐光性在酸性时差，耐金属离子（除铁以外，遇铁变黑）好。染着于淀粉和蛋白质时较稳定，在水溶液中不够稳定（图3）。

图3 西红花苷化学结构

2 生物合成途径

西红花中类胡萝卜素类化合物的合成途径可分为两类，以西红花苷合成中的重要前体物质玉米黄质[2]为界，可分为上游途径、下游途径其中下游途径为西红花苷合成的特殊途径[3]。

目前研究证明，此条途径是以玉米黄质为起始物，在类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD）[4]的催化下，氧化裂解生成西红花二醛和β-环柠檬醛[5]，之后产物将经过UDP- 葡萄糖基转移酶 （UGT）和醛脱氢酶（ALDH）的催化，得到藏红花苦素、西红花苷、西红花酸等脱辅基类胡萝卜素化合物[6]。（图4）

图4 西红花苷等类胡萝卜素类化合物合成途径[24]

3 生物合成途径的关键酶

目前对于西红花苷类胡萝卜素类化合物的生物合成途径研究，众多研究者将关注点集中于相关的酶基因家族的研究[7]。常见的酶基因家族包括：β-LCY、BCH、CCD、NCEDs、UGtase等[8]，西红花苷类胡萝卜素化合物的代谢水平受这些酶基因家族的调控，甚至会影响中药西红花的品质。

3.1 BCH酶基因家族

β-胡萝卜素水解酶BCH酶基因家族由2-3个基因座组成[9]，每个基因都具有四个及四个以上的可侧接保守外显子的内含子，这种结构有利于发展可直接测序的通用引物[10]。在西红花中，主要有两种BCH基因高度表达，分别是BCH1和BCH2，基因长度分别为1461bp和891bp。在成熟的西红花柱头中，BCH1的表达程度更高。BCH1不仅仅只分布在西红花中，在番茄、柑橘中也有表达。在西红花苷类胡萝卜素类化合物的生物合成途径中，BCH酶所催化的反应是关键的限速步骤[11]。BCH 在西红花柱头中，通过催化 β-胡萝卜素发生 β 环羟基化反应，生成玉米黄质[12]。

3.2 CCD酶基因家族

类胡萝卜素裂解双加氧酶CCD家族可分为五个亚家族：CCD1、CCD4、CCD7、CCD8及 NCEDs。所有的CCD酶结构相似，由Fe2+原子和β- 螺旋结构结构组成，7个螺旋结构被不保守圆顶所覆盖[13]。

但是CCD基因家族中不同种类酶的内含子数目有较大不同，CCD1、CCD4、CCD7、CCD8四个亚家族的内含子数目分别是：10个以上、1-2个、5-6个、4-5个。通过对多种高等植物的CCD基因家族进行测定筛选。发现在不同的双子叶植物和单子叶植物中，同一亚家族的不同CCD酶基因结构也不同，只有几组同工酶结构相近。其中CCD1、CCD4、CCD7、CCD8基因亚家族在催化作用中的位点、底物，甚至于产物都有巨大区别。例如某一CCD酶底物具有特异性，而有些CCD酶底物可以催化多种底物。

目前研究证明，CCD2酶在西红花苷生物合成途径中起到关键作用，可以裂解前体物质玉米黄质并起到限速作用。西红花的柱头发育可分为三个阶段，分别是黄色时期、橘色时期和完全成熟时期[14]。在西红花柱头的橘色时期，西红花酸含量最高，而此时CCD2基因高度表达。有研究将带有玉米黄质生物合成质粒（Kanr）的大肠杆菌菌株与带有将玉米黄质转化为藏花红素二醛的CsCCD2酶pTHIO-CsCCD2（Cmr）载体共转化,Frusciante等[24]使用anti-6xHis抗体进行的免疫印迹分析，证实了硫氧还原蛋白-CsCCD2和硫氧还原蛋白-ALDH融合蛋白在预期分子量分别为81.9和69.8至76.9 kD的表达。进一步说明，CCD2在西红花苷生物合成中起关键作用。

3.3 ALDH酶基因家族

醛脱氢酶基因ALDH，可将醛脱氢氧化生成相应的羧酸，家族庞大，广泛存在于植物动物中，可划分为24个亚家族，其中有14个亚家族存在于植物中。在西红花苷生物合成途径中起催化作用的ALDH[15]，可将西红花酸二醛催化生成西红花二酸。陈祥慧等[4]通过对转录组进行整合以及筛选代谢组数据，得出三条具有全长）ORF的ALDH序列，采用RT-PCR技术进行代谢工程研究，进一步证实了ALDH在西红花苷生物合成中的重要作用，证明了整合组学数据对于筛选合成过程中目标基因的优越性。

3.4 UGT酶基因家族

UGT-葡萄糖基转移酶,是高等植物糖基化作用的关键酶[16]，芳香化合物等次生代谢产物都存在这种现象。在西红花柱头中，类胡萝卜类化合物常以糖苷形式如西红花苷存在植物中，而UGT可以催化葡萄糖与受体通过糖苷键形式连接[17]，在西红花苷合成过程中，UGT家族可分为两个亚型：UGTcs2和UGTcs3,基因长度分别为1383bp和1425bp。UGT可以催化类胡萝卜素通过糖基化反应生成西红花苷和藏红花苦苷[18]，将脂溶性物质转化为稳定的水溶性物质。Moraga[9]等采用克隆技术，从柱头中得到两条含有植物次生代谢产物糖基转移酶（PSPG）结构域的重组蛋白：UGTCs2以及UGTCs3。研究证明，在富含西红花苷的柱头中，UGTCs2高表达，在体外酶实验中的研究结果，进一步证明了UGTCs2在西红花苷合成途径中，起到了重要的催化糖基化作用。

4 结论与展望

随着人们对传统中医药的重视日益增加，对于可用于治疗心血管疾病及肝硬化等疾病的名贵中药材西红花的研究也日益广泛。近年来。关于西红花研究的文献发表逐年增加，而关于西红花的生物合成研究，尤其是合成途径中相关代谢酶及其基因家族的研究也有上升趋势。关于西红花合成的下游途径，以玉米黄质为起始[19]，可通过BCH、CCD、UCT、ALDH等相关酶及其庞大的基因家族所调控、催化，生成西红花二醛、β-环柠檬醛[20]，最后得到藏红花苦素、西红花苷、西红花酸等脱辅基类胡萝卜素类化合物[21]。目前的研究表明，对于CCD酶基因家族的研究已很充分，但对于其他相关酶的研究还有待研究者继续深入探索。

近年来，现代生物技术水平已有大幅提升，众多先进技术如PCR技术已被运用到提升西红花苷产量和品质的研究中[22]，通过整合基因组学数据，对目标基因进行筛选、转录、复制，获取最优调控基因[23]。现代生物技术手段结合计算机筛选、数据网络构建，提升中药资源品质及产量已成为潮流。D’Agostino[25]等早在2007年就已完成了存在于西红花柱头中完整的EST序列，为后续研究者对西红花苷合成过程中相关酶基因的研究提供了助力。对于西红花苷合成的下游途径，研究者应利用好现代生物技术先进技术，进一步深入研究相关酶基因家族，提升西红花品质。