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黄芩素 Mol Plant | 上海辰山植物园解析了抗癌分子黄芩素的生物合成途径

最近,《分子植物》由中科院上海陈山植物科学研究中心的研究团队Cathie Martin在网上发表,并在网上发表了题为《黄芩中两种cyp 82 d酶在根特异性4’-脱氧薰衣草的生物合成中起着黄烷羟基酶的作用》,在分析中药植物黄芩天然产物的合成路线上取得了突破。

随着人们对中草药越来越重视,其活性物质和药理已成为人们关注的焦点。黄芩作为唇形科黄芩属药用植物,几千年来主要用于治疗上呼吸道感染、肺热咳嗽、湿热黄疸、肺炎、痢疾等疾病。现代科学研究表明,黄芩中的主要活性物质为黄酮类:黄芩素和汉黄芩素。它们具有抗病毒和淬灭活性氧的作用。本品能抑制和杀死肿瘤细胞,对正常动物细胞无副作用。因此,它有望成为肿瘤预防和治疗的候选分子。

该团队的研究发现,黄芩中黄酮类化合物的合成途径有两种:一种存在于地上部分,合成芹菜素等经典黄酮类化合物;另一种存在于根中,是根中的合成途径负责黄芩素和汉黄芩素的产生(之前的研究发表在2016年4月的美国科学副刊《科学进展》上)。基于此,本文报道了两种细胞色素P450酶的分离和验证。生化实验表明,它们是黄芩中的黄酮6-羟化酶(F6H)和黄酮8-羟化酶(F8H)。SbCYP82D1.1对白杨素和芹菜素等黄酮类化合物具有广泛的底物接受性,并负责黄芩素和野黄芩苷的合成。RNAi降低黄芩毛状根中SbCYP82D1.1的表达时,黄芩苷和黄芩素含量显著降低,而白杨素苷在毛状根中积累。CYP82D2是一种底物特异性高的F8H,只接受白杨素为底物,产生去甲基汉黄芩素。系统发育分析表明,CYP82D2可能是由SbCYP82D1.1通过基因复制进化而来,从而保留了一些祖先酶F6H的活性。

对黄芩素合成途径的全面分析,为合成生物学中该物质的异源合成提供了基础。也就是说,在不久的将来,只有在微生物细胞(如酵母细胞)中表达这些合成酶,才能用发酵工程技术生产黄芩素,而不是依靠黄芩植物本身。同时也为育种者选育黄芩素含量高的黄芩品种提供了分子生物学基础。

上海陈山植物园兼职研究员凯茜·马丁(Cathie Martin)是本书的通讯作者,赵青博士和崔女士是本书的第一作者。中国科学院上海陈山植物园/上海陈山植物研究中心是第一作者单位,合作者还包括来自陈山中心的研究员陈晓雅和胡永红,以及来自美国麻省理工学院的研究员翁敬科。本研究得到了上海市园林绿化局陈山专项和国家自然科学基金的资助。

黄芩素、汉黄芩素及其苷类是药用植物黄芩中的主要生物活性化合物。这些黄酮可以诱导多种癌细胞系的凋亡,但对正常细胞没有影响。此外,它们对人体健康有许多额外的好处,如抗氧化、抗病毒和保肝作用。我们描述了黄芩中分别作为黄酮6-羟化酶(F6H)和黄酮8-羟化酶(F8H)的两种CYP450酶(SbCYP82D1.1和SbCYP82D2)的分离和鉴定。SbCYP82D1.1对白杨素和芹菜素等黄酮类化合物具有广泛的特异性,分别负责黄芩根和地上部分中黄芩素和黄芩素的生物合成。当SbCYP82D1.1的表达被敲除时,黄芩苷和黄芩素水平显著降低,而白杨素苷在毛状根中积累。CYP82D2是一种F8H,具有很高的底物特异性,仅接受白杨素作为其底物来产生诺瓦克样蛋白,同时也可以检测到少量的6-羟基化活性。系统发育分析表明,CYP2D 2可能是由SbCYP82D1.1通过基因d复制后新功能化进化而来的,其中祖先F6H活性部分保留在衍生的CYP2D 2中。

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