三七总皂苷生物合成的关键酶及其调控研究进展

三七总皂苷(Panax notoginseng saponins,PNS)属于达玛烷型三萜皂苷,是中国传统珍贵药材三七的主要活性成分。三七总皂苷对中枢神经系统、心脑血管系统和免疫系统具有较好的保护作用,并被广泛地用于衰老、肿瘤等疾病的治疗。对三七总皂苷生物合成中的关键酶如法呢基焦磷酸合酶(FPS)、鲨烯合成酶(SS)、鲨烯氧化酶(SE)、达玛烯二醇合成酶(DS)、环阿屯醇合成酶(CAS)、P450单加氧酶(CYP450)和糖基转移酶(GT)等在催化机制、基因克隆、转录水平的表达调控及其表达模式和表达组织和器官的特异性方面的研究进展进行综述,并首次总结了多态性和环境胁迫等在三七皂苷生物合成的基因表达调控中的作用,为应用代谢工程人工合成PNS提供依据。     

黄芪皂苷生物合成对短期水分变化的响应

以一年生盆栽膜荚黄芪为材料,探究水分变化对膜荚黄芪根中总皂苷、黄芪甲苷含量及关键酶基因表达量的影响。测定其黄芪甲苷、总皂苷含量,采用实时荧光定量PCR分析黄芪皂苷合成途径中8个关键酶乙酰辅酶A乙酰基转移酶(AATC)、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶(HMGS)、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)、异戊二烯焦磷酸异构酶(IDI)、法尼基焦磷酸合酶(FPS)、鲨烯合酶(SS)、鲨烯环氧酶(SE)、环阿尔庭烷合酶(CAS)基因表达量。结果表明,随着土壤水分的下降,黄芪甲苷及总皂苷含量呈增加趋势,在第15天达到最高,分别为1.46,6.80 mg·g~(-1);膜荚黄芪中8个关键酶基因对水分调控的响应方式各不相同,AACT,IDI,SS基因呈现先升高后降低再升高,复水后降低的变化趋势,HMGS,HMGR,FPS基因呈现持续增加复水后下降的趋势,而SE,CAS基因呈现先增加再降低,复水后继续降低的趋势。相关性分析显示,处理组HMGR基因与总皂苷含量呈极显著正相关,CAS基因与总皂苷含量呈显著负相关;FPS,SE,CAS基因与黄芪甲苷含量呈极显著负相关系。因此,HMGR,FPS,SE,CAS基因在水分调控下对黄芪皂苷含量调控作用明显,是主要调控基因。处理第15天,黄芪甲苷和总皂苷总量达到最高,可以定为最佳采收期。     

药用植物鲨烯环氧酶基因研究进展

鲨烯环氧酶在角鲨烯合成2,3-氧化鲨烯的过程中起催化作用,继而影响以2,3-氧化鲨烯为前体的三萜皂苷、甾体皂苷等药用植物次生代谢产物的生物合成。鲨烯环氧酶被认为是萜类、甾醇类物质生物合成途径中的关键酶,已在多种药用植物中被广泛研究。概述鲨烯环氧酶基因的克隆提取材料与生物信息学分析、组织特异性与茉莉酸甲酯（MeJA）诱导调控、亚细胞定位、基因功能分析几个方面的研究进展。     

海拔高度对蒙古黄芪主要药效成分积累及其关键酶基因表达量影响研究

目的研究不同海拔高度与蒙古黄芪Astragalus membranaceus var. mongholicus主要药效成分含量及其关键酶基因表达量之间的关系。方法采用HPLC法检测黄芪根中黄芪甲苷与毛蕊异黄酮葡萄糖苷的含量,采用实时荧光定量PCR法检测黄芪甲苷生物合成过程中关键酶基因乙酰辅酶A乙酰基转移酶[AACT,acetoacetyl-co zymeA (CoA)thiolase]、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶(HMG-CoAsynthase, HMGS)、 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶[3-hydroxy-3-methylglutarylcoenzymeA(HMG-Co A)reductase,HMGR]、异戊二烯焦磷酸异构酶(iso-pentenyldiphosphateisomerase,IDI)、法尼基焦磷酸合酶(farnesyldiphosphatesynthase,FPS)、鲨烯合酶(squalenesynthase,SS)、鲨烯环氧酶(squaleneepoxidase,SE)、环阿尔庭烷合酶(cycloartenolsynthase,CAS)基因的表达量。结果 4个样地中样地HQ-2(内蒙呼和浩特可可以力更镇)中黄芪甲苷含量、毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量及总皂苷含量普遍高于其他样地;相关性分析表明,海拔高度对黄芪总皂苷合成的影响较大,IDI、SE和SS基因在黄芪总皂苷的合成过程中起主要作用,海拔高度有利于IDI、SE和SS基因的表达,海拔高度对黄芪皂苷合成途径中关键酶基因具有一定的调控作用。结论在处于海拔1730m左右的地区种植蒙古黄芪有利于其药效成分的积累。     

2种类型膜荚黄芪主要药效成分含量及关键酶基因表达量差异研究

目的以2年生2种类型膜荚黄芪Astragalus membranceus(绿茎有毛膜荚黄芪、紫茎有毛膜荚黄芪)根、茎、叶为实验材料,探究其主要药效成分含量及其生物合成途径中关键酶基因表达量的差异,为药材膜荚黄芪资源合理利用及其优良品种选育选育提供科学的理论参考。方法使用HPLC检测膜荚黄芪根、茎、叶中黄芪甲苷与毛蕊异黄酮葡萄糖苷的含量,使用紫外分光光度计检测膜荚黄芪根、茎、叶中总皂苷含量,采用实时荧光定量PCR检测其根中皂苷生物合成过程中关键酶乙酰辅酶A乙酰基转移酶(AATC)、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶(HMGS)、3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)、异戊二烯焦磷酸异构酶(IDI)、法尼基焦磷酸合酶(FPS)、鲨烯合酶(SS)、鲨烯环氧酶(SE)、环阿尔庭烷合酶(CAS)基因的表达量。结果紫茎膜荚黄芪根中黄芪甲苷含量始终高于绿茎膜荚黄芪;在生殖生长期时,绿茎膜荚黄芪根中毛蕊异黄酮葡萄糖苷含量高于紫茎膜荚黄芪,而枯萎期二者变化浮动较大;绿茎膜荚黄芪根中总皂苷含量普遍高于紫茎膜荚黄芪。AACT、FPS、HMGS基因表达量与绿茎膜荚黄芪总皂苷含量呈显著相关(P0.05),IDI基因表达量与总皂苷含量呈极显著相关(P0.01),说明这4个基因在绿茎膜荚黄芪总皂苷合成中具有重要影响;HMGR基因与紫茎膜荚黄芪总皂苷呈显著相关(P0.05),其他基因与紫茎膜荚黄芪皂苷含量均有相关性,但未达到显著水平。结论探究了2种类型黄芪3种主要药效成分的动态变化和皂苷类化合物关键酶基因的表达,为黄芪皂苷类化合物合成生理生态机制的明晰、膜荚黄芪资源合理利用及优良品种选育提供了科学的理论依据。     

温度调控对人参皂苷积累及其关键酶基因表达的影响

目的探究温度调控对人参皂苷积累及其合成途径关键酶基因表达量的影响。方法以培养23 d人参愈伤组织为实验材料,置于5、10、15、20、25、30℃6个培养箱中恒温培养,每天取样1次连续取样8 d,测定干、鲜质量和皂苷含量,确定响应敏感温度,以GAPDH为内参基因,real-timePCR检测皂苷合成途径中9个关键酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR2)、法尼基焦磷酸合成酶(FPS)、角鲨烯合成酶(SS1)、角鲨烯环氧酶(SE1)、达玛烷二醇合成酶(DS-Ⅱ)、β-香树素合成酶(PNY1)、β-香树素C-28位羟基化酶(CYP716A52v2)、原人参三醇合成酶(CYP716A53v2)、原人参二醇合成酶(CYP716A47)基因表达量。结果 20℃为人参愈伤组织干、鲜质量积累最佳温度,5、10、15℃皂苷含量2～3 d达到最大值,5℃为人参皂苷积累响应敏感温度,与对照组差异显著,人参皂苷Re、Rg1和总皂苷分别为对照组1.93、11.93和1.54倍。HMGR2、SS1、DS-Ⅱ、SE1和CYP716A52v2基因表达量在低温2～4d均达最大值,为对照组2.8、1.6、3.5、3.7和3.8倍。相关性分析发现SE1与人参皂苷Re、Rg1和总皂苷呈显著正相关关系。结论适度的低温有利于人参皂苷的快速积累,SS1、DS-Ⅱ、SE1、HMGR2、CYP716A52v2为响应低温的关键基因,在人参皂苷生物合成抵御低温的过程中发挥重要作用。     

北柴胡不同部位柴胡皂苷含量与其关键酶基因表达量的相关性研究

目的筛选适宜北柴胡Bupleurum chinense表达分析的内参基因,并分析不同部位中柴胡皂苷含量与其关键酶基因表达的关系。方法以北柴胡根、茎、叶、果为实验材料,利用实时荧光定量PCR技术,选取Actin、α-tubublin、β-tubulin、Cyclophilin、EF-1α5个常用的内参基因作为候选,以筛选到的最适内参基因为参考分析北柴胡基因ACAT、FPS、HMGR、IPPI、PMD、PMK、SE、SS、β-AS、UGT1、UGT3、UGT6、UGT8、UGT10、P450-7、P450-12的组织表达模式,用HPLC法检测柴胡皂苷a、柴胡皂苷c、柴胡皂苷d的含量,并用SPSS软件进行相关性分析。结果以5个候选基因(EF-1α、Cyclophilin、Actin、β-tubulin、α-tubublin)中稳定性最好的EF-1α为内参基因,测定北柴胡16个关键酶基因表达量,表明ACAT、PMK、IPPI、SS、SE、UGT1、UGT3、UGT6、UGT8均在地上部分(茎、叶、果)表达量最高,HMGR、β-AS、P450-7、P450-12在根中表达量高于地上部分,PMD、FPS、UGT10则组织差异性不明显。以HPLC法检测柴胡皂苷含量在根中远高于地上部分(茎、叶、果)。相关性分析结果显示,16个关键酶基因间上游ACAT、HMGR、PMD、SE等多与下游P450-7、P450-12、UGT3、UGT6、UGT8等表现出了显著正相关(P0.05),表明关键酶基因相互间密切相关,共同调控柴胡皂苷合成。16个关键酶基因与柴胡皂苷含量的相关性分析结果显示:HMGR、P450-7、P450-12与3种皂苷总和呈极显著正相关(P0.01),β-AS与3种皂苷总和呈显著正相关(P0.05),且HMGR、β-AS、P450-7、P450-12与单体皂苷a、c、d含量均呈显著正相关(P0.05),这4个基因对于皂苷合成积累有重要影响。结论柴胡皂苷合成途径中HMGR、β-AS、P450-7、P450-12基因表达与柴胡皂苷合成积累具有一致性,在调控皂苷合成方面有重要作用。     

刺五加法尼基焦磷酸合酶、鲨烯合酶、鲨烯环氧酶基因启动子CpG岛的预测与功能验证

目的获得刺五加法尼基焦磷酸合酶(FPS)、鲨烯合酶(SS)、鲨烯环氧酶(SE)基因启动子的CpG岛分布情况和功能活性。方法针对已克隆的FPS、SS、SE基因启动子序列,使用EMBOSS和Li Lab进行CpG岛预测,同时利用GUS基因作为报告基因,p CAMBIA1301质粒作为表达载体,利用根癌农杆菌转化拟南芥进行功能验证。结果发现刺五加FPS、SS启动子含有2个CpG岛,长度分别是520、218 bp和108、103 bp,SE启动子含有3个CpG岛,长度为290、119、149 bp。FPS、SS、SE基因启动子均具有启动活性,但强度不一,SS启动子活性最强。结论研究首次获得刺五加FPS、SS、SE基因启动子区域的CpG岛分布情况,以及其功能活性,为后续进一步FPS、SS、SE甲基化分析及其在刺五加中的表达调控研究奠定了基础。     

细胞色素P450在人参皂苷生物合成途径中的研究进展

细胞色素P450(CYP450)是一类超基因家族编码的单加氧酶,参与萜类、生物碱和甾醇类等多种次生代谢产物的合成与代谢。CYP450对人参皂苷三萜碳环骨架进行羟基化和氧化等一系列复杂修饰作用,是人参皂苷生物合成途径中的关键酶。近年来利用新一代测序技术及生物信息学分析等方法,从CYP450家族中筛选出参与人参皂苷生物合成的相关CYP450s,并对候选基因(CYP716A47)进行了生物功能验证,进一步阐明了人参皂苷合成途径。本文对人参皂苷生物合成途径做简要介绍,并对近年来CYP450在人参皂苷生物合成途径中的研究进行综述,为阐明人参皂苷合成途径及通过基因工程手段合成人参皂苷提供理论依据。     

人参皂苷生物合成途径及其相关酶的研究进展

人参皂苷是人参的主要有效成分,经研究表明其具有很好的药用价值。明确人参皂苷的生物合成途径及其相关反应酶是利用生物技术手段提高人参中皂苷含量的前提。综述人参皂苷的生物合成途径,并介绍了3-羟基-3-甲基戊二酸CoA还原酶(HMGR)、=牛儿基二磷酸合成酶(GPS)、法尼基二磷酸合成酶(FPS)等人参皂苷合成途径相关酶的研究进展。