细胞色素P450在植物三萜和甾醇骨架修饰中的功能研究进展

植物三萜类化合物在植物生长发育、抵御逆境胁迫与病虫害、生物间相互作用以及传递信息等方面发挥重要作用,植物甾醇具有重要的药用价值.细胞色素P450单加氧酶(CYP450)是参与植物代谢的最大酶家族,在三萜及甾醇骨架结构多样化及功能化修饰中具有关键作用.到目前为止,研究发现约有80个CYP450参与植物三萜代谢,包括亚家族CYP51H, CYP71A, D, CYP72A, CYP81Q, CYP87D, CYP88D, L, CYP93E, CYP705A, CYP708A和CYP716A, C, E, S, U, Y,它们参与包括特定病原体的化学防御功能和药理活性的三萜及其皂苷类化合物的代谢.亚家族CYP51G, CYP85A, CYP90B-D, CYP710A, CYP724B和CYP734A与甾醇和类固醇激素的生物合成有关.本文针对CYP450基因在三萜及甾醇化合物形成过程中不同位点的修饰功能进行概述,重点探讨了陆地植物CYP450基因11个家族的进化及在双子叶、单子叶植物中五环三萜物质合成过程中的功能.以期为充分利用具有重要价值的抗肿瘤、抗艾滋病的三萜物质的合成生物学的研究及其代谢调控提供进一步的理论依据.     

过表达丹参GGPPS研究丹参酮类的生物合成途径

丹参酮是药用植物丹参(Salvia miltiorrhiza)中具有较强生物活性的脂溶性二萜醌类化合物,是目前国际上广泛认可的有效治疗心脑血管疾病的天然药物之一.本研究通过分析过表达萜类生物合成途径中的牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶(GGPPS)的转基因丹参,发现丹参酮类化合物与叶绿素具有共同的上游生物合成途径,而下游途径因组织的特异化而不同,从而生成不同的代谢产物.通过对丹参毛状根外施两个萜类生物合成途径的抑制剂Lovastatin和Fosmidomycin,在处理6周丹参酮积累达到稳定时测定丹参酮的含量,探明了丹参酮类的生物合成主要是通过质体中的MEP途径来完成,而非胞质中的MVA途径.本研究为丹参酮类的代谢生物学及合成生物学研究提供了证据和基础.     

高通量测序解析大青叶有效成分的生物合成途径

中药大青叶是菘蓝的干燥叶片,主要活性物质为吲哚类化合物,包括靛蓝、靛玉红、色胺酮等,以上吲哚类化合物的生物合成起始于色氨酸途径,目前在植物中的合成机制还未完全阐明.本研究以成熟菘蓝叶片为研究对象,对茉莉酸甲酯诱导的叶片进行了转录组分析,对已知途径进行了转录组注释,并对未解析途径进行了预测分析.分别获得了色氨酸代谢途径中色氨酸、吲哚乙酸、吲哚苷和萜类吲哚生物碱合成几个代谢支路中16个催化步骤的38个编码基因.通过共表达网络分析,预测转录因子bHLH125可能对吲哚途径具有核心调控作用;CYP2A6-1和CYP735A2等蛋白可能催化生成靛蓝、靛玉红、色胺酮前体的羟基化反应,对这两个蛋白与底物分子的结合进行分子对接建模,均显示对吲哚分子具有较好的结合力.本研究为后续开展菘蓝代谢调控和育种,以及开展吲哚类物质合成生物学研究提供候选基因.     

丹参酮生物合成途径及其相关酶的研究进展

丹参酮是丹参中具有多种药理活性的二萜醌类化合物，对预防和治疗心脑血管系统疾病有显著效果。因其具有重要的经济和药用价值，丹参酮的生物合成研究受到人们的广泛关注。随着丹参基因组和转录组数据的不断积累和完善，以及丹参遗传转化体系的建立和基因编辑技术的应用，丹参酮的生物合成途径解析及相关酶基因研究取得了新进展。现系统阐述丹参酮的生物合成途径与研究进展，同时对合成途径相关酶基因的研究现状进行概述，并展望未来的研究方向。     

酿酒酵母合成木栓酮及其衍生物的研究现状及展望

木栓酮及其衍生物在植物中普遍存在且种类繁多,具有丰富的生理药理学活性。木栓酮衍生物是以木栓酮为骨架经细胞色素氧化酶P450(cytochromeP450,CYP450)及UDP葡萄糖醛酸转移酶(UDP-glucuronosyltransferase, UGT)修饰而来。植物中天然木栓酮及其衍生物的含量极低,传统的萃取分离和化学合成效率低、能耗高且污染环境,因此,利用酿酒酵母作为宿主菌生产木栓酮及其衍生物是一种高效且环保的策略。本文从增加前体含量、提高酶活性和产物合成的亚细胞定位等方面介绍并展望了木栓酮在酿酒酵母中高效生产的策略,并介绍了目前几种常见的木栓酮衍生物研究现状,从根据碳骨架相似性挖掘CYP450、蛋白质工程改造CYP450和合成代谢基因簇的挖掘等方面展望了木栓酮衍生物的合成途径解析的新思路。     

基于丹参基因组的COI1基因抗虫与次生代谢调控功能研究

本草基因组学极大地推动了药用植物分子育种、次生代谢网络调控和品质成因等研究的进程.本研究基于本草基因组学,从模式药用植物丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge)基因组中克隆丹参COI1(SmCOI1)基因并初步分析其蛋白特征及表达模式.利用RNAi技术获得丹参COI1沉默株系(iCOI1).抗虫性检测结果显示,与对照相比iCOI1株系叶片损伤指数上升,对昆虫咬噬耐受性减弱;同时,抗性相关基因WKRY70和NPR1的表达量在iCOI1株系中显著降低.进一步检测iCOI1株系中主要次生代谢产物合成与积累情况,结果表明iCOI1株系中迷迭香酸、丹酚酸B、隐丹参酮及丹参酮ⅡA的含量较野生型显著降低,其生源合成途径中的关键酶基因C4H,RAS,HCT,HMGR,GGPPS,CPS,KSL,CYP76AH1的表达量较野生型显著下调,且与丹参COI1的沉默显著正相关.上述结果表明,丹参COI1基因参与调控丹参抗虫性及主要次生代谢产物合成和积累过程.本研究为丹参抗性研究和次生代谢过程调控提供理论依据,也为优质高产药用植物品种选育奠定了基础.     

丹参酮生物合成途径关键酶CYP76AH3的晶体结构与分子对接

丹参在治疗心绞痛、冠心病和心肌梗死等疾病中具有广泛应用。CYP76AH3是其活性成分丹参酮合成途径中的关键P450酶,位于丹参酮复杂合成网络通路的分支处,其晶体结构解析及关键氨基酸分析对丹参酮的合成生物学具有重要意义。作为跨膜蛋白的Ⅱ型P450酶的蛋白质纯化、晶体培养和晶体结构解析的难度一贯较大。本研究通过构建原核表达重组质粒,纯化目的蛋白质,成功培养了CYP76AH3晶体,解析了晶体结构。根据CavityPlus分析确定对接范围,采用分子对接程序Discovery Studio筛选出与底物相互作用的关键氨基酸,包括与底物有氢键相互作用的Gly298和Asp294,以及与底物有疏水相互作用的Phe479、Leu367和Leu293;通过点突变模拟进一步预测了关键氨基酸的突变对蛋白质结构稳定性的影响。本研究将为CYP76AH3的蛋白质工程提供目标,为丹参酮的合成生物学研究奠定了基础。     

ABA分解代谢及其代谢关键酶——8'-羟化酶

脱落酸(ABA)在植物的生长发育和环境胁迫响应等过程中具有重要作用。ABA合成与分解代谢的动态平衡共同调控植物内源ABA水平。ABA8′位甲基羟基化途径是高等植物内源ABA代谢的主要途径;8′-羟化酶是该代谢途径的关键酶,属于P450酶系。生物化学和基因组学研究表明,拟南芥CYP707A家族基因编码8′-羟化酶,该基因家族广泛存在于高等植物中,调控植物内源ABA代谢,介导ABA相关的生理生化过程。本文综述了ABA分解代谢的基本途径,详细概述了ABA8′位甲基羟基化途径及该代谢途径的关键酶8′-羟化酶。同时介绍了8′-羟化酶编码基因-CYP707A家族基因的生物学特征和功能。     

紫杉醇生物合成途径及调控研究进展

本文综述了紫杉醇的生物合成途径、代谢调控及基因工程方面的研究进展,总结了代谢调控与基因工程方法提高红豆杉属植物细胞培养紫杉醇合成量的研究状况,并在探讨生物合成途径理论的基础上,对紫杉醇生物合成的限速步骤进行了阐述,指出解决侧链合成的根速步骤问题会显著提高紫杉醇的生物合成量。     

植物细胞色素P450

对植物细胞色素P450(CYP450)基因的分离,植物CYP450在苯丙烷类物质、芥子油苷及IAA和萜类等物质的生物合成中的功能,以及对天然生物合成与人工合成物质的解毒功能等研究进展作了简要的综述。指出分离植物细胞色素P450基因,并对其生物学功能进行分析以及植物细胞色素P450降解除草剂的机制及其在环境生物修复等方面的应用是今后一段时间内植物CYP450领域的研究热点。     

甜菊醇糖苷生物合成途径关键酶基因KA13H的克隆及序列分析

本研究利用RT-PCR方法从甜叶菊叶片中分离了一个与甜菊醇糖苷生物合成密切相关的基因KA13H,对该基因的ORF、编码产物结构、同源性比对及次级结构等进行了生物信息学预测分析,同时初步分析该基因的组织表达和原核表达。经DNAMAN6.0软件分析,该基因编码一条分子量为54.476kD的由476个氨基酸残基组成的多肽,含有典型的细胞色素P450的血红素结合位点FXXGXXXCXG,TMPRED程序预测其C-端含有一个明显的跨膜区MIQVLTPILLFLIFFVFWKVY,是一个典型的细胞色素P450基因。推断的KA13H编码产物与其它生物合成相关细胞色素P450同源比对和系统发生分析表明,该蛋白与苜蓿(Medicago truncatula)CYP716A12和云杉(Sitka spruce)CYP720B1的一致性较高,分别为51%和46%,推测KA13H可能与CYP716A12和CYP720B1具有类似的功能。KA13H次级结构分析结果表明,KA13H与CYP74A2的一致性仅为15%,但是它们却有着类似的次级结构,都含有6个基质识别位点(SRSs)。半定量RT-PCR分析表明:KA13H在根、茎、叶和花中呈组成型表达,叶和花中的表达丰度较高;将该基因融合到原核表达载体pGEX-4T-1中,在原核中得到了成功表达。根据本研究结果,我们推测KA13H可能在甜菊醇糖苷生物合成过程中发挥着重要作用,该基因的克隆和表达分析为进一步深入了解甜菊醇的生物合成过程中相关酶和基因的功能奠定了基础。     

植物生物碱代谢生物学研究进展

目前,植物生物碱作为植物的化学防御武器,在植物的生态适应过程中发挥积极作用的观点已得到了普遍的接受。生物碱代谢生物学的研究近年来取得了长足的进步,主要集中在生物碱合成和贮存部位、转运途径、代谢调控因子、生物合成途径和关键酶及其编码基因等方面,现就这方面的进展作一简要综述,并提出了该领域尚存在的问题和前景展望。     

植物生物碱代谢生物学研究进展

目前,植物生物碱作为植物的化学防御武器,在植物的生态适应过程中发挥积极作用的观点已得到了普遍的接受。生物碱代谢生物学的研究近年来取得了长足的进步,主要集中在生物碱合成和贮存部位、转运途径、代谢调控因子、生物合成途径和关键酶及其编码基因等方面,现就这方面的进展作一简要综述,并提出了该领域尚存在的问题和前景展望。     

拟南芥色氨酸与吲哚乙酸生物合成的研究进展

拟南芥色氨酸生物合成途径的研究已逐渐成为植物分子生物学家了解植物基因结构和表达调控最主要的模式系统之一。到目前为止,编码拟南芥色氨酸合成途径的七种酶蛋白的基因已经全部被克隆,并进行了不同程度的分子生物学研究。长期以来,色氨酸一直被认为是植物生长素吲哚乙酸（ＩＡＡ）生物合成（从头合成）的前体物,但近年来人们发现生长素合成的非色氨酸途径可能是其在植物中生物合成的主要途径。植物在不同的发育阶段可能采用不同的方式合成ＩＡＡ。     

植物次生代谢基因工程研究进展

随着对植物代谢网络日渐全面的认识,应用基因工程技术对植物次生代谢途径进行遗传改良已取得了可喜的进展.对次生代谢途径进行基因修饰的策略包括:导入单个、多个靶基因或一个完整的代谢途径,使宿主植物合成新的目标物质;通过反义RNA和RNA干涉等技术降低靶基因的表达水平,从而抑制竞争性代谢途径,改变代谢流和增加目标物质的含量;对控制多个生物合成基因的转录因子进行修饰,更有效地调控植物次生代谢以提高特定化合物的积累.作者结合对大豆种子异黄酮类代谢调控和基因工程改良的研究,着重介绍了花青素和黄酮类物质、生物碱、萜类化合物和安息香酸衍生物等次生代谢产物生物合成的基因工程研究进展.     

丹参香豆酸-3-羟化酶基因(SmC3H)的生物信息学及其组织表达模式分析

通过分析丹参转录组数据库(SRX021907)得到一条香豆酸-3-羟化酶(C3H)基因,blast比对发现该基因为丹参C3H(EU358957.1),该基因c DNA全长1 704 bp,包括1个1 503 bp的开放阅读框,编码508个氨基酸。生物信息学分析表明,其编码蛋白的分子量为57.21 k D,等电点为8.53,含琢-螺旋,延伸链和无规则卷曲,具有1个细胞色素P450蛋白(CYP450)特异的保守结构域。聚类分析表明其与芝麻的亲缘关系最近。组织特异性表达分析结果表明,该基因在茎中的表达量最丰富,其次是叶和花,根中最低。     

基于转录组的瑶药半枫荷根和叶的差异分析

为了探究半枫荷(Semiliquidambar cathayensis)根和叶的基因表达差异和关键活性成分合成通路中关键基因的表达规律,本研究对半枫荷的根和叶进行转录组测序和生物信息分析。59378个差异表达基因归类到在GO分类的3个大类中,主要与生物学过程有关(50.59%)。626个差异表达基因注释KOG数据库的24个分类中。81个差异表达基因参与苯丙烷类化合物的生物合成,110个差异表达基因参与黄酮类化合物的生物合成,211个差异表达基因参与萜类化合物的生物合成。本研究获得了半枫荷根和叶的转录组信息特征,为今后半枫荷基因功能鉴定、次生代谢途径解析及调控机制的研究提供依据。     

赤霉素生物合成及其分子机理研究进展

赤霉素(GAs)是高等植物体内调控发育的重要激素。高等植物以3-磷酸甘油醛或丙酮酸为前体,首先在原质体内由环化酶催化形成贝壳杉烯;然后贝壳杉烯转移到内质网,在依赖细胞色素P450的单加氧酶的作用下转化成GA12醛;最后转入细胞质由依赖2-酮戊二酸的双加氧酶催化成各种GAs最终产物。目前几种模式植物中参与赤霉素合成的基因、cDNA已经克隆出来,相应功能也做了研究。本文在分子生物学水平上按照植物体内赤霉素合成路线,依次分析了参与各合成步骤上的基因、基因序列特性及其编码产物的催化功能,讨论了赤霉素生物合成的调控机理。     

干旱胁迫下丹参数字基因表达谱分析

丹参是中国传统大宗药材,具有重要的药用价值,但其品质受干旱胁迫影响较大,而对丹参响应干旱胁迫的应答机制尚不明确。本研究基于数字基因表达谱技术,对干旱胁迫处理后的丹参植株cDNA文库进行了差异基因表达谱分析。分析结果表明,共有5 740条基因受干旱胁迫诱导差异表达,其中1 143条表达上调,4 597条表达下调。Gene Ontology (GO)功能显著性富集分析表明,干旱胁迫应答基因的生物学功能主要集中在催化活性和结合活性中。Pathway显著性富集分析结果表明,上调基因显著富集在黄酮生物合成途径、核糖体途径、苯基丙酸类生物合成途径、半胱氨酸蛋氨酸代谢途径和植物激素生物合成等途径,下调基因则主要富集在鞘糖脂的合成途径、糖胺聚糖降解途径、卟啉代谢和叶绿素代谢途径上。随机抽取9个差异表达基因进行实时荧光定量PCR验证,其结果与EDG检测结果一致。本研究的分析结果有助于进一步了解丹参响应干旱胁迫的分子机制,为干旱应答功能基因的筛选奠定基础。     

甘蓝型油菜BnCYP79B1基因的克隆与表达

硫苷是十字花科植物的一种次生代谢产物,其合成途径受细胞色素P450的CYP79家族蛋白的调控,该实验采用同源克隆技术在甘蓝型油菜中克隆到了CYP79B1基因,命名为BnCYP79B1(GenBank登录号为JX535391.1)。BnCYP79B1基因cDNA全长1 625bp,编码一个含有541个氨基酸、理论等电点为8.88。序列对比结果显示,BnCYP79B1与花椰菜CYP79B1在DNA序列上的相似性为98.83%,推测蛋白氨基酸序列的相似性为99.26%。通过不同时期不同部位BnCYP79B1基因表达量的分析,发现BnCYP79B1基因在高秆高硫苷品系的根中表达量较高,而对矮秆高硫苷品系则是叶中表达量较高。在BnCYP79B1表达总量上,高秆品系较矮秆品系高,高硫苷品系较低硫苷品系高。