张程程;吴燕民;唐益雄软件质量管理体系
【摘 要】Gossypol,one kind of sesquiterpene phytoalxins,which is synthesized in pigment glands of cotton outer tissues such as root and seed,has been widely applied in medical,industrial and agricultural areas.Recently,studies on biosynthesis of gossypol and its derivatives have made a great progress and many key enzymes have been cloned and characterized.It is of significance to understand the biosynthetic pathway and to mannually control gossypol content with genetic modification.This paper reviews the researh progress in biosynthetic parthway of gossypol,its derivatives,and relative key enzymes;prospects the application of gossypol in all fields.%棉酚作为一种倍半萜烯类植物抗菌素广泛存在于棉花的根、种子等表皮组织的素腺体里。该化合物已在医药、工业和农业等领域得到广泛应用。近来对棉酚及其衍生物合成途径的研究日趋深入,许多关键酶基因已得到克隆和分析。掌握棉酚及其衍生物的生物合成途径,并试图通过基因工程改造的方法来控制植物体棉酚的合成具有重要意义。概述了棉酚及其衍生物合成途径和关键酶的研究进展并展望其应用前景。
【期刊名称】罗山车祸《生物技术进展》
【年(卷),期】2011(001)003
【总页数】7页(P165-171)
【关键词】棉酚;倍半萜烯类植物抗菌素;MVA途径;DXP途径;素腺体
【作 者】张程程;吴燕民;唐益雄
【作者单位】中国农业科学院生物技术研究所,北京100081;中国农业科学院生物技术研究所,北京100081;中国农业科学院生物技术研究所,北京100081
【正文语种】中 文
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吡啶甲胺【中图分类】Q946.88
棉酚(gossypol)是一种黄的二聚倍半萜烯化合物,最早发现于1886年。1889年首次从棉籽中提取到棉酚,1938年阐明了其化学分子式为C30H30O8。棉酚化学结构为2,2′-联二萘-8,8′-
二羟基醛-1,1′,6,6′,7,7′-六羟基-5,5′-二异丙基-3,3′-二甲基(图1)[1],分子质量为518.53,它是由若干重复异戊二烯单位组成的,属于倍半萜烯类化合物[2]。
棉酚主要存在于锦葵科植物棉花的根、茎、叶和种子等表皮组织的素腺体中,具有植物抗菌素的功能,可以帮助棉花抵御外界昆虫和微生物的侵害[1]。过去人们普遍认为棉酚是有毒物质,对牲畜的生育能力有负面影响。棉酚的存在也使得棉籽蛋白的利用受到阻碍。但后来人们发现棉酚在医药、工业、农业等领域都具有重要的应用价值。
随着棉酚及其衍生物合成途径的研究日趋深入,许多关键酶基因已得到克隆和分析。掌握棉酚及其衍生物的生物合成途径,并试图通过基因工程改造的方法来控制植物体棉酚的合成具有重要意义。本文归纳总结了棉酚及其衍生物的合成途径,概述了该途径中关键酶的研究进展,介绍了棉酚在医药、农业、化工等领域的广泛应用。
1 棉酚合成途径
Ian等[3]用14C标记的方法证明了棉酚是通过异戊二烯途径合成的。香叶醇(geraniolalcohol)、橙花醇(neroli)、反-顺-法尼基焦磷酸(trans-cis-farnesylpyrophosphate)
等化合物都是棉酚生物合成所需的,其中法尼基焦磷酸的特异环化是棉酚合成的必须步骤,从而确定了棉酚属于倍半萜烯化合物,同时也揭示了倍半萜烯类化合物的合成过程[4]。
图1 棉酚的化学结构式[1]Fig.1 The chemical structural formula of gossypol[1].
植物体存在两条合成萜类的途径:一个是位于细胞质中的甲羟戊酸(mevalonate pathway, MVA)途径[5],另一个是位于质体中的脱氧木酮糖-5-磷酸途径(1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate pathway, DXP)[6],又称为甲基赤藓醇 4-磷酸途径(methylerythritol 4-phosphatepathway, MEP)。无论哪一种途径,都可分为以下三个阶段:第一阶段是合成萜类化合物中间体异戊烯基焦磷酸(isopentenyl pyrophosphate, IPP)及其双键异构体二甲基烯丙基焦磷酸(dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP),第二阶段是直接前体物质的合成,最后一阶段是终产物萜类的生成及其修饰阶段。
MVA途径和DXP途径所处的亚细胞位置完全不同,但是它们都产生一种共同的中间体,即IPP。IPP可以穿过质体膜互为对方所用[7]。过去的研究表明,在古细菌、真菌以及动物体内主要是通过MVA途径来合成异戊烯基焦磷酸(IPP)[8],而在大多数细菌和植物的体内,DXP是IPP合成的主要途径[9]。在异戊烯基二磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase, I
DI)的催化作用下,IPP和双键异构体DMAPP之间可进行可逆转化,它们都是所有萜类化合物合成的前体。
棉酚生物合成是在胞质中进行的,其合成除了需要IPP合成上游所需的酶外,还需要若干种酶,如:法尼基焦磷酸合成酶(farnesyl pyrophosphate synthase, FPS),倍半萜烯环化酶或杜松烯合酶(seshemiterpene cyclase, cadinene synthease, CADS),杜松烯-8-羟化酶(cadinene-8-hydroxylase)等。棉酚的具体合成过程为(如图2):①FPS催化IPP和DMAPP进行缩合反应,产生15C的法尼基焦磷酸(FPP);②FPP在CADS的作用下发生分子内环化产生倍半萜中间体杜松烯(cadinene, CAD);③CAD在杜松烯-8-羟化酶的催化下利用NADPH的还原力生成8-羟基杜松烯合酶;④8-羟基杜松烯合酶经过一系列反应生成脱氧半棉酚(desoxyhemigossypol,dHG);⑤dHG经过一系列修饰最终生成棉酚及其衍生物。
2 棉酚合成途径的关键酶大连教育学院附中
2.1 羟甲基戊二酰CoA还原酶(HMGR)
羟甲基戊二酰CoA还原酶(HMGR)催化HMG-CoA形成甲羟戊酸(MVA),是类异戊二烯途径中
的第一个限速酶,也是细胞质萜类代谢中的重要调控位点[10]。MVA的合成直接影响着萜类化合物合成前体IPP和DMAPP的合成,所以羟甲基戊二酰CoA还原酶(HMGR)也是棉酚合成途径中的关键酶之一。
HMGR是一种疏水性膜蛋白质,含有4个亚基[11]。在植物中编码HMGR的基因以基因家族的形式存在,并且各成员的表达模式和对环境因素的响应不同。当海岛棉(Gossypium barbadense)和陆地棉(G. hirsutum)接种真菌V.dahliae后,HMGR基因的转录水平和酶活都有很大的提高,但海岛棉的反应更为迅速,而陆地棉持续的时间更长[12]。Loguercio等[13]从陆地棉中分离到2个HMGR编码基因,hmg1和hmg2。hmg1基因属于组成型表达,有两个具有部分重叠的开放阅读框,推测开放阅读框的重叠可能在转录后水平上对hmg1基因的表达进行调控。hmg2基因的表达受外界机械损伤或病原体入侵的诱导,并且该基因与素腺体的形态建成和倍半萜烯的合成相关。hmg2基因编码了目前报道的植物中最大的HMGR酶HMG2,该酶有二个新特征。首先,在N端和C端催化基团之间含有一段42个氨基酸组成的疏水区,该区可能影响着HMG2的降解;其次,HMG2的N端有一个疏水区结构域,推测该疏水区可能参与HMG2构型的调节以及它与膜的结合。
2.2 法尼基二磷酸合成酶(FPS)
FPP合成酶(FPS)是一个1-4′异戊烯转移酶。它催化IPP、DMAPP和GPP产生15C的FPP[14]。Liu等[15]从亚洲棉(G. arboreum)中分离到garfps基因,其编码胞质FPS,参与倍半萜烯植物抗菌素的生物合成。澳洲棉(G. australe)有两个FPS基因,一个属于组成型表达,另外一个受真菌的诱导表达。
图2 棉酚及其衍生物的生物合成途径Fig.2 The biosynthetic pathway of gossypol and its derivatives.ATOT:乙酰乙酰CoA硫解酶; HMGS:羟甲基戊二酰CoA合酶; HMGR羟甲基戊二酰CoA还原酶; MPD:MVA焦磷酸脱羧酶; DXS:脱氧木酮糖-5-磷酸合酶; DXR:脱氧木酮糖磷酸盐还原异构酶; IPK:异戊烯基单磷酸激酶; IDI:异戊烯基二磷酸异构酶; FPPS:法尼基二磷酸合酶; GPPS:香叶基二磷酸合酶; GGPPS:香叶基香叶基二磷酸合酶; TPS:萜烯合酶。
FPS基因的表达受真菌V.dahliae的诱导。研究表明,亚洲棉悬浮细胞和澳洲棉悬浮细胞在接种V.dahliae后,FPS的转录都增强,并且在亚洲棉中还伴随有倍半萜烯物质含量的升高,但在澳洲棉中却只有CAD的增加而没有倍半萜烯物质的增加。推测在澳洲棉悬浮细胞中倍半萜烯的生物合成途径可能在FPP环化后受阻而导致CAD增加[15]。
2.3 倍半萜烯环化酶——杜松烯合酶(CADS)
杜松烯合酶又称杜松萜烯环化酶,是一种倍半萜烯环化酶。它催化15C的线性法尼基二磷酸(FPP)环化生成环状次级倍半萜烯醛——杜松烯。杜松烯合酶作为棉酚合成途径中的关键酶之一,其表达受时空调控和病原菌的诱导[16]。在烟草[17,18]和棉花中,杜松烯合酶基因也是以基因家族的形式存在。Meng等[19]从亚洲棉cDNA文库中分离到了4个cad基因,其中3个属于cad1-C家族,只有一个属cad1-A家族。Southern杂交进一步确定了在亚洲棉基因组中cad1-A仅有一个拷贝。
cad1基因的表达受真菌的诱导[20～22]。用真菌V.dahliae接种亚洲棉悬浮细胞发现cad1-C和cad1-A转录本、杜松萜烯环化酶活性及倍半萜烯醛类含量都有所增加。陆地棉叶接种Xanthomonas campestris后发现杜松萜烯环化酶(CADS)活性提高[23]。接种真菌V.dahliae后,亚洲棉茎中cad1-A表达增强,而海岛棉中柱组织的cad1-C表达增强。但对于无腺体的陆地棉来说,真菌的侵染对cad1-A的转录并无影响[21]。
杨政宁
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