石斛碱生物合成途径及萜类化合物CYP450酶的研究进展

为了对石斛碱生物合成途径进一步解析,对石斛碱生物合成途径研究进展、5 种药用萜类生物 合成的 CYP450 酶功能、CYP450 酶研究手段三个方面进行文献综述。 通过综述石斛碱生物合成研究进展, 提出 CYP450 酶在石斛碱合成途径中羟基化中间体的作用;总结对药用萜类青蒿酸、丹参酮、鼠尾草酸、人参 皂苷、甘草甜素等合成途径中 CYP450 酶的功能研究与鉴定,发现 CYP450 酶在萜类化合物中的主要功能为 羟基化、酮基化等氧化功能;总结 CYP450 酶的研究手段:一方面基因的筛选可以通过数据库检索或植物组 织、多因子诱导表达差异筛选,另一方面基因的表达和功能鉴定通过基因工程的多种手段,转入原核或真核 宿主细胞中表达出酶蛋白,然后加入底物鉴定其催化活性。 最后,展望下一步石斛碱生物合成 CYP450 酶的 挖掘,认为可以通过已有的转录组中筛选出差异 CYP450 酶基因并进行蛋白表达,然后通过上游酶催化或从 植物中分离纯化的方式获得底物,从酶蛋白与底物的催化挖掘与石斛碱合成相关 CYP450 酶类。     

萜类微生物生物合成研究进展

萜类是一类具有重要研究及药用价值的天然化合物.近年来,随着萜类合成途径中各种关键酶基因克隆、异源表达和功能鉴定,许多萜类生物合成途径逐渐清晰.以萜类微生物生物合成过程中的中间产物为线索,综述了应用代谢工程、合成生物学、系统生物学等技术开展的萜类微生物生物合成的研究进展.     

过氧化氢信号途径参与哺乳动物Bax基因对长春花细胞中萜类吲哚碱生物合成的诱导作用

Bax是哺乳动物细胞凋亡基因Bcl-2家族中的一员．最近的研究结果表明小鼠Bax可以从转录水平上诱发植物细胞次生代谢产物合成积累,提示Bax及其植物体内的同源基因可能是次生代谢产物合成的一种新型调控因子．为了研究Bax诱发植物次生代谢产物合成的分子机理,文中测定了小鼠Bax对长春花细胞氧化进发（oxidativeburst）的影响,并考查了质膜NAD（P）H氧化酶抑制剂DPI和活性氧中间体淬灭剂对小鼠Bax诱发长春花碱及萜类吲哚生物碱合成的影响．实验结果表明,小鼠Bax可以诱发长春花细胞氧化进发．DPI在抑制Bax诱发长春花细胞氧化进发的同时,还可以阻断Bax对长春花碱及萜类吲哚生物碱合成的促进作用．实验结果说明小鼠Bax不仅可以激活长春花细胞中活性氧信号转导事件而且还依赖氧化进发作用诱导长春花细胞次生代谢产物合成．超氧化物歧化酶（SOD）可以淬灭长春花细胞产生的超氧阴离子（O2-）,但不影响小鼠Bax对长春花次生代谢产物合成的促进作用,说明由氧化进发产生的O2-可能不是介导小鼠Bax诱发长春花碱及萜类吲哚生物碱合成必需的信号分子．而过氧化氢酶（CAT）在淬灭细胞中过氧化氢（H2O2）的同时还可以阻断小鼠Bax对长春花碱及萜类吲哚生物碱合成的诱导作用,表明H2O2可能是介导小鼠Bax诱发长春花细胞次生代谢产物合成所必需的信号分子．小鼠Bax可以诱发长春花细胞中萜类吲哚碱生物合成途径关键酶基因Tdc和Str转录上调,CAT可以抑制Bax对Tdc和Str表达的诱导作用,进一步证实小鼠Bax依赖氧化进发所产生的H2O2激活长春花细胞中萜类吲哚碱生物合成途径并诱发长春花碱及萜类吲哚碱的合成积累．     

基于转录组数据对糙苏三萜皂苷合成途径的研究

糙苏为我国民间常用的传统草药,具有消肿、续筋接骨、祛风化痰、通络止痉、安胎等作用,三萜皂苷类化合物为其主要的生物活性成分.对糙苏组织转录组测序,挖掘其三萜皂苷生物合成途径相关基因,探究糙苏三萜皂苷化合物生物合成的分子基础.利用Trinity软件对测序结果获得的Unigenes数据进行过滤组装,并结合KEGG、GO数据库对Unigenes进行注释,预测糙苏三萜皂苷代谢的生物合成途径关键基因.结果获得了参与萜类化合物骨架生物合成的Unigenes数量为73条,39条Unigenes编码19个与萜类生物合成的关键酶,且有23条基因参与萜类物质骨架代谢途径(途径编号为ko00900),19条基因参与了倍半萜类物质代谢途径(途径编号为ko00909),涉及萜类物质骨架合成代谢途径相关酶共有15种,以及三萜代谢途径相关酶有10种.本研究获取了糙苏的三萜皂苷合成相关候选基因核苷酸和氨基酸序列,为糙苏三萜皂苷物质体外表达和生物合成奠定理论基础.     

植物类异戊二烯生物合成相关酶基因研究进展

类异戊二烯化合物是自然界广泛存在的一大类天然化合物,具有重要的生物学功能及经济价值．在植物体内,类异戊二烯化合物的生物合成主要有2条代谢途径：甲羟戊酸（MVA）途径和2-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸（MEP）途径．综述了国内外对植物中这2条代谢途径中相关酶基因的功能、分离情况、表达特性,以及2条代谢途径之间中间产物的交换等方面的研究进展．     

松科植物木质素合成相关基因研究进展

植物木质素是影响纸浆材品质的关键因素,而松科植物作为重要的纸浆材,对其木质素合成相关调控基因进行系统了解,可为完善木质素生物合成模型提供一定的理论依据。笔者通过对国内外已有研究进行分析,总结植物木质素结构、木质素合成途径、木质素合成相关酶基因及松科植物木质素合成基因的研究进展。归纳出松科植物火炬松(Pinus taeda)、马尾松(P. massoniana)、辐射松(P. radiata)、挪威云杉(Picea abie)等木质素合成酶基因研究主要集中在苯丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase,PAL)、4-香豆酸辅酶A连接酶(4-coumarate CoA ligase, 4CL)、肉桂酸4-羟化酶(cinnamic 4-hydroxygenase, C₄H)、香豆酸3-羟化酶(Coumarate 3-hydroxylase, C3H)、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(caffeoyl coenzyme A-O-methyltransferase, CCoAOMT)、肉桂酰基辅酶A还原酶(Cinnamoyl CoA reductase, CCR)和肉桂醇脱氢酶(Cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)等一些常见基因上,其他莽草酸羟基肉桂酰转移酶(shikimate hydroxycinnamoyl transferase, HCT)、阿魏酸5-羟化酶(ferulo 5-hydroxylase, F5H)、O-甲基转移酶(O-methyltransferase, OMT)及咖啡酸-O-甲基转移酶(caffeic acid O-methyltransferase, COMT)等基因研究较欠缺,此外,还有部分基因未涉及。木质素合成是研究松科植物纸浆材的重要切入点,对现有松科植物木质素合成过程中存在问题进行精确的估计,对进一步深入研究松科植物木质素合成机制和优质纸浆材选育具有重要意义。     

药用植物中四环三萜皂苷合成生物学研究进展

萜类化合物是药用植物中结构和生物活性多样化的一类大分子化合物,是自然界中广泛存在的次级代谢产物,主要应用于食品、保健品、医药等领域。生物信息学和分子生物学研究的不断深入,极大促进了药用植物四环三萜皂苷的生物合成途径解析与关键功能基因的挖掘鉴定。本文对常见药用植物四环三萜皂苷的生物合成学研究现状展开论述,重点介绍以药用植物四环三萜皂苷为代表的几类化合物的分子合成机制和生物合成研究进展,为人工构建、优化微生物“细胞工厂”,高效合成稀有、高附加值的四环三萜类化合物,推动药用植物资源可持续利用等提供参考。     

GGPPS基因在植物色香性状改良中的应用研究进展

色彩和香味是影响园林植物观赏品质的重要因子,对植物的观赏价值具有决定性的影响。类胡萝卜素是植物重要色素物质,单萜是植物关键芳香成分,牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶基因(GGPPS)位于两者合成途径的关键交叉节点,对植物颜色、香味相关代谢物的形成具有重要影响。本研究对GGPPS蛋白的结构与分类、进化聚类情况,并对GGPPS基因的转录调控和其他调控因子进行综述,总结了GGPPS基因影响植物色彩与香味形成的作用机制,探讨了其在植物色彩及香味性状改良方面的应用潜力,认为今后可利用多组学手段挖掘相关转录因子并解析GGPPS基因调控植物色香的分子网络,以期为植物观赏性状的遗传改良工作提供新的基因资源和研究思路。     

猕猴桃AsA生物合成途径及调控机制研究进展

抗坏血酸(AsA)在植物生长发育及果实品质形成方面扮演重要角色,对人体健康也具有重要作用.猕猴桃果实中富含AsA,是研究植物AsA代谢与调控的宝贵材料.目前对于AsA生物合成已经有一定的了解,植物中公认的AsA生物合成途径有4种,其中对主要合成途径L-半乳糖途径研究比较透彻,其他3条途径仍有未证实的酶反应和相关基因,AsA代谢及调控机理也有待深入研究.综合国内外AsA研究现状,主要从猕猴桃中AsA积累的差异、AsA的生物合成及其相关基因与调控酶进行阐述,以期为今后通过植物生物合成途径提高AsA含量提供理论依据,为猕猴桃种质创新与品种改良奠定基础.     

竹叶花椒TPS基因家族全基因组分析

为了探究香料植物TPS基因家族的潜在功能,本研究以香料植物竹叶花椒(Zanthoxylum armatum DC.)为材料,利用生物信息学方法对其萜类合成酶基因家族的理化性质、基因重复类型、亚细胞定位、进化关系、染色体定位与共线性、基因结构和基因表达进行了系统地分析.我们在竹叶花椒全基因组中共鉴定到53个TPS基因家族成员,它们编码蛋白氨基酸长度为173～859 aa,分子量为20.21～98.44 kDa,等电点范围在4.87～9.10,主要定位于细胞质和叶绿体当中.进化分析显示,ZaTPSs可以划分为6个亚家族,TPS-a和TPS-b亚家族的成员最多.其中48个成员都包含TPS家族的保守基序motif1.染色体定位与共线性分析显示,53个成员在11条染色体上不均匀分布,存在4处串联重复,共线性分析证明竹叶花椒与其同科物种甜橙[Citrus sinensis(L.) Osbeck]的TPS基因有更近的基因进化关系.基因表达差异分析显示,ZaTPSs有一定的组织表达特异性,在幼花中表达量最高,其次是果皮.这些研究结果表明TPS基因家族在竹叶花椒果皮挥发油的合成和防御等方面发挥了重要作用...     

通过S-柠檬烯合酶突变体的动力学分析揭示萜烯合酶进化的机制

使用孔雀绿比色法分析了S-柠檬烯合酶(S-limonene synthase,S-LS)野生型和突变体的动力学特性.研究表明,萜烯合酶经过引入少数残基突变合成新型萜烯化合物仍然可以保持酶的催化活性.该特性可以解释植物中是如何进化出新的萜烯合酶,从而解释了自然界中萜烯化合物的多样性.本研究提出了萜烯合酶的进化模型.同时针对生物合成中萜烯化合物产量不高的难题,为定向改造萜烯合酶提供了解决方法.     

Homology between Streptomyces genes coding for synthesis of different polyketides used to clone antibiotic biosynthetic genes

Many important antibiotics such as tetracyclines, erythromycin, adriamycin, monensin, rifamycin and avermectins are polyketides. In their biosynthesis, multifunctional synthases catalyse iterated condensation of thio-esters derived from acetate, propionate or butyrate to yield aliphatic chains of varying length and carrying different alkyl substituents. Subsequent modifications, including aromatic or macrolide ring closure or specific methylations or glycosylations, generate further chemical diversity. It has been suggested that, if different polyketide synthases had a common evolutionary origin, cloned DNA coding for one synthase might be used as a hybridization probe for the isolation of others. We show here that this is indeed possible. Study of a range of such synthase genes and their products should help to elucidate what determines the choice and order of condensation of different residues in polyketide assembly, and might yield, by in vitro recombination or mutagenesis, synthase genes capable of producing novel antibiotics. Moreover, because genes for entire antibiotic pathways are usually clustered in Streptomyces, cloned polyketide synthase genes are valuable in giving access to groups of linked biosynthetic genes.     

Herbivory-induced volatiles elicit defence genes in lima bean leaves

In response to herbivore damage, several plant species emit volatiles that attract natural predators of the attacking herbivores. Using spider mites (Tetranychus urticae) and predatory mites (Phytoseiulus persimilis), it has been shown that not only the attacked plant but also neighbouring plants are affected, becoming more attractive to predatory mites and less susceptible to spider mites. The mechanism involved in such interactions, however, remains elusive. Here we show that uninfested lima bean leaves activate five separate defence genes when exposed to volatiles from conspecific leaves infested with T. urticae, but not when exposed to volatiles from artificially wounded leaves. The expression pattern of these genes is similar to that produced by exposure to jasmonic acid. At least three terpenoids in the volatiles are responsible for this gene activation; they are released in response to herbivory but not artificial wounding. Expression of these genes requires calcium influx and protein phosphorylation/dephosphorylation.     

A new pathway for polyketide synthesis in microorganisms.

Chalcone synthases, which biosynthesize chalcones (the starting materials for many flavonoids), have been believed to be specific to plants. However, the rppA gene from the Gram-positive, soil-living filamentous bacterium Streptomyces griseus encodes a 372-amino-acid protein that shows significant similarity to chalcone synthases. Several rppA-like genes are known, but their functions and catalytic properties have not been described. Here we show that a homodimer of RppA catalyses polyketide synthesis: it selects malonyl-coenzyme-A as the starter, carries out four successive extensions and releases the resulting pentaketide to cyclize to 1,3,6,8-tetrahydroxynaphthalene (THN). Site-directed mutagenesis revealed that, as in other chalcone synthases, a cysteine residue is essential for enzyme activity. Disruption of the chromosomal rppA gene in S. griseus abolished melanin production in hyphae, resulting in 'albino' mycelium. THN was readily oxidized to form 2,5,7-trihydroxy-1,4-naphthoquinone (flaviolin), which then randomly polymerized to form various coloured compounds. THN formed by RppA appears to be an intermediate in the biosynthetic pathways for not only melanins but also various secondary metabolites containing a naphthoquinone ring. Therefore, RppA is a chalcone-synthase-related synthase that synthesizes polyketides and is found in the Streptomyces and other bacteria.     

Designed divergent evolution of enzyme function

It is generally believed that proteins with promiscuous functions divergently evolved to acquire higher specificity and activity, and that this process was highly dependent on the ability of proteins to alter their functions with a small number of amino acid substitutions (plasticity). The application of this theory of divergent molecular evolution to promiscuous enzymes may allow us to design enzymes with more specificity and higher activity. Many structural and biochemical analyses have identified the active or binding site residues important for functional plasticity (plasticity residues). To understand how these residues contribute to molecular evolution, and thereby formulate a design methodology, plasticity residues were probed in the active site of the promiscuous sesquiterpene synthase gamma-humulene synthase. Identified plasticity residues were systematically recombined based on a mathematical model in order to construct novel terpene synthases, each catalysing the synthesis of one or a few very different sesquiterpenes. Here we present the construction of seven specific and active synthases that use different reaction pathways to produce the specific and very different products. Creation of these enzymes demonstrates the feasibility of exploiting the underlying evolvability of this scaffold, and provides evidence that rational approaches based on these ideas are useful for enzyme design.     

植物抗癌的次生代谢产物

从天然植物次生代谢产物中寻找高效毒的抗癌活性成份以制成抗癌新药,已经成为抗癌药研制的重要内容之一,从次生代谢产物的角度阐述了植物次生代谢产物的特性以及具有抗癌生物活性的植物次生代谢产物——生物碱、萜类、苷及皂苷类、黄酮类、多糖类、香豆素类化合物的几种类型,并对从植物中寻找抗癌活性成分进行展望。     

植物纤维素合成酶研究进展

纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种多糖,占植物碳含量的50%以上。在植物中,纤维素是细胞壁的主要组分和承重元件,由纤维素合成酶复合体(CSCs)在质膜上催化合成。笔者综述了纤维素合成酶(CESA)的类型、结构、互作基因及关于CSCs结构、组装、运输的研究进展。植物细胞壁分为初生细胞壁和次生细胞壁,不同类型细胞壁中控制纤维素合成的CSCs由不同类型的纤维素合成酶(CESA)构成,且CSCs中CESAs的比例可能具有物种特异性。大多数植物中CESAs的化学计量比都是1∶1∶1,但在杨树的应力木组织中次生细胞壁相关CESAs的化学计量比为8∶3∶1。CSCs在高尔基体上装配并通过跨高尔基体网络分泌到质膜,而质膜上CSCs的丰度和分布很大程度上决定了纤维素的定向沉积。纤维素的合成和定向沉积在植物生长发育及抵御胁迫过程中发挥重要的作用。目前已发现多个关键基因通过与CSCs中特定CESA互作来识别和调控CSCs的运输。CESAs基因的表达水平也是影响纤维素合成的重要因素,油菜素甾醇等激素能通过调控CESAs的表达来控制纤维素的合成。未来在CESA功能、CSCs结构模型、CSCs中不同类型CESA所占比例、CSCs组装和运输与纤维素合成速度之间的关系,以及CESA基因的表达调控机制等方面可运用基因编辑技术进一步开展工作,从而完善植物纤维素合成的调控机制。