紫杉醇生物合成途徑及其相關(guān)酶的研究進(jìn)展

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1、第30卷第2期河北師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2006年3月JournalofHebeiNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Vol.30No.2Mar.2006y紫杉醇生物合成途徑及其相關(guān)酶的研究進(jìn)展肖穎1,2,趙冬1,王剛1(1.河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河北石家莊050016;2.石家莊學(xué)院化學(xué)系,河北石家莊050011)摘要:紫杉醇的生物合成過程已基本闡明,其合成以牛兒基牛兒基二磷酸為前體約需20步酶促反應(yīng),近一半的相關(guān)酶基因已得到克隆與表達(dá).綜述了紫杉醇生物合成及生物合成途徑中9個酶基因的克隆和表達(dá)方面的研究進(jìn)展,并指出隨著紫杉醇生物合成分子

2、生物學(xué)研究的不斷深入,利用分子生物技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)紫杉醇將為期不遠(yuǎn).關(guān)鍵詞:紫杉醇;生物合成;相關(guān)酶中圖分類號:Q78文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:100025854(2006)0220222207紫杉醇(paclitaxel,商品名Taxol)是從紅豆杉屬植物樹皮中提取分離出來的一種次生代謝物,由于其具有顯著抗癌效果,現(xiàn)已成為臨床上治療腫瘤的重要藥物.但因資源匱乏,單純從含量甚微的天然紅豆杉植物中提取紫杉醇無法滿足臨床需求,故紫杉醇的藥源問題已引起人們的極大關(guān)注.為此各國科學(xué)家在篩選高產(chǎn)量紅豆杉栽培品種、化學(xué)合成、生物技術(shù)及微生物生產(chǎn)等方面做了大量的研究工作.由于目前對紫杉醇的生物合成途徑及合成

3、途徑中相關(guān)酶研究所取得的進(jìn)展,已使人們相信基因工程可能成為生產(chǎn)紫杉醇的途徑之一.本文中,筆者報道了近年來有關(guān)紫杉醇生物合成及生物合成途徑中相關(guān)酶研究所取得的進(jìn)展.1紫杉醇的生物合成對紫杉醇生物合成途徑的研究主要采用整體植物或細(xì)胞培養(yǎng)物摻入法進(jìn)行同位素示蹤試驗(yàn)和無細(xì)胞酶系體外轉(zhuǎn)化試驗(yàn).紫杉醇的生物合成包括紫杉烷環(huán)母核結(jié)構(gòu)的巴卡亭ó的裝配和苯基異絲氨酸側(cè)鏈的裝配.這兩個構(gòu)造單元在途徑中的較后步驟連接,隨后于側(cè)鏈Cc3位發(fā)生N苯甲?；勺仙即?見圖1).1.1紫杉烷環(huán)母核的生物合成紫杉醇是一種雙萜化合物,在植物次生代謝中異戊二烯是合成所有萜類化合物的通用前體,它在體內(nèi)經(jīng)甲羥戊酸途徑生成[1]

4、.因此,根據(jù)植物萜類次生代謝物的生源途徑,紫杉醇的三環(huán)二萜骨架似乎來自甲羥戊酸.Zamir等[2]同位素示蹤試驗(yàn)曾表明紫杉烷環(huán)系統(tǒng)是由甲羥戊酸和乙酸形成的,但是所報道的前體的摻入率極低(0.02%~0.12%),并且未對產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)降解分析而確定標(biāo)記部位,因而未能 證實(shí)紫杉烷環(huán)骨架來自甲羥戊酸途徑.Eisenreich等[3]以13C標(biāo)記的[U-13C6]葡萄糖、[1-13C]葡萄糖和[1,2-13C2]乙酸作前體,對中國紅豆杉懸浮培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)行飼喂試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物taxuyunnanineC(2A,5A,10B,14B四乙酰氧4(20),11紫杉二烯)的4個異戊二烯單元以完全相同的方式被標(biāo)記

5、,其中二碳單位和三碳單位均來自葡萄糖,外源乙酸僅標(biāo)記taxuyunnanineC的乙?；鶄?cè)鏈而不標(biāo)記紫杉烷環(huán)骨架.通過遠(yuǎn)程13C-13C偶聯(lián)分析表明,在異戊二烯單元的形成過程中發(fā)生了分子內(nèi)重排.甲羥戊酸途徑無法解釋源自葡萄糖的三碳單位存在于雙萜化合物中和異戊二烯單元中的放射標(biāo)記分布方式.因此,異戊二烯單元不可能來自經(jīng)典的甲羥戊酸途徑,而是通過葡萄糖的初級代謝產(chǎn)物磷酸丙糖與丙酮酸脫羧產(chǎn)物二碳單位縮合,并發(fā)生分子內(nèi)重排而產(chǎn)生的,這一途徑也存在于某些細(xì)菌和裸子植物中[4,5].異戊y收稿日期:20051004;修回日期:20051219基金項(xiàng)目:河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(300162)作者簡介

6、:肖穎(1972),女,北京市人,河北師范大學(xué)博士研究生,主要從事植物代謝生理研究.223第2期肖穎等:紫杉醇生物合成途徑及其相關(guān)酶的研究進(jìn)展二烯單元)))異戊烯焦磷酸/二甲基丙烯基焦磷酸(IPP/DMAP)形成之后,4個異戊二烯分子逐一縮合,產(chǎn)生牛兒基牛兒基二磷酸(geranylgeranyldiphosphate,GGPP),后者是合成雙萜化合物的共同起點(diǎn).然后在紫杉二烯合成酶催化下,GGPP環(huán)化形成紫杉4(5),11(12)二烯.該產(chǎn)物曾被推測為它的環(huán)外雙鍵異構(gòu)體紫杉4(20),11(12)二烯,原因是很多紫杉烷類化合物在4(20),11(12)位置存在雙鍵結(jié)構(gòu);后為Koepp等[6

7、]通過體外無細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗(yàn)確立了這一紫杉醇生物合成途徑中的第一個定向反應(yīng)步驟,該步驟建立了紫杉醇的三環(huán)二萜骨架結(jié)構(gòu).圖1紫杉醇的生物合成途徑紫杉烷環(huán)骨架形成后,在C1,C2,C5,C7,C9,C10和C13位發(fā)生進(jìn)一步的修飾,最終形成巴卡亭ó,它是合成紫杉醇的直接前體[7].這些細(xì)致的側(cè)基修飾包括羥基化,羥基組上的?；?、酮基化和環(huán)氧丙烷的形成.首先在細(xì)胞色素P450單加氧酶的催化下,C5位引入羥基,并發(fā)生丙烯基重排,生成