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異黃酮生物合成通路及關(guān)鍵酶研究進(jìn)展

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月12日 07:18

摘要異黃酮是植物苯丙氨酸代謝途徑中重要的次生代謝產(chǎn)物,具有良好的藥理活性,多用于保健食品、豆制品、乳制品等,在抗腫瘤、改善心血管疾病、預(yù)防骨質(zhì)疏松和抗抑郁等方面都有良好的療效。以往對(duì)于異黃酮的研究多體現(xiàn)在藥理活性上面,但對(duì)參與合成途徑的關(guān)鍵酶和轉(zhuǎn)錄因子的報(bào)道較少。該文在闡述異黃酮的結(jié)構(gòu)、藥理活性的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)異黃酮的合成途徑、關(guān)鍵酶和主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子展開(kāi)綜述,并對(duì)異黃酮研究中存在的問(wèn)題和未來(lái)研究方向進(jìn)行了分析和展望,以期為后續(xù)深入研究異黃酮合成的分子調(diào)控機(jī)制及植物的分子改良提供參考。

異黃酮屬于類(lèi)黃酮屬,由肉桂酸輔酶A等酶合成的酚類(lèi)化合物,主要活躍于豆科植物中,其中尤以大豆含量最多。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同,可以分為四類(lèi),12種。其中3種游離型化合物是異黃酮發(fā)揮作用的主要成分。20世紀(jì),有研究學(xué)者[1]首次發(fā)現(xiàn)異黃酮與哺乳動(dòng)物雌激素結(jié)構(gòu)相似,并推測(cè)它們可能有防癌作用,從而使得異黃酮受到了廣大學(xué)者的關(guān)注。也因?yàn)樗芎痛萍に厥荏w結(jié)合,被稱(chēng)為 “植物雌激素”。除此以外,異黃酮還能夠預(yù)防女性絕經(jīng)后的骨質(zhì)疏松癥,減少脂質(zhì)的積累,緩解更年期綜合征以及某些激素依賴(lài)性癌癥,如乳腺癌和前列腺癌等。

異黃酮的藥理活性在預(yù)防疾病方面具有良好的功效,但是在植物中的含量較少,即使在含量較高的大豆中也僅為1%～3%。因此提高植物體內(nèi)異黃酮的含量和體外合成異黃酮能夠有效的改善異黃酮含量低的現(xiàn)狀?；诖?本文總結(jié)了目前異黃酮合成途徑以及藥理活性,重點(diǎn)從生物合成途徑以及關(guān)鍵酶和轉(zhuǎn)錄因子展開(kāi)綜述,以期為深入研究異黃酮的生物合成機(jī)制和植物育種提供參考。

1 異黃酮的結(jié)構(gòu)和存在形式

目前在異黃酮中分離出12種化合物,分為3種游離型苷元和9種結(jié)合性苷元,而結(jié)合性的苷元是在游離型的苷元的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)酸水解或者β-葡萄糖苷酶催化分解而得到。因此異黃酮主要是以葡萄糖苷的形式存在,其含量占到總異黃酮的97%～98%。異黃酮不同苷元的結(jié)構(gòu)式見(jiàn)附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034264)。

2 異黃酮的功能研究

異黃酮被證明是有益于人體健康的物質(zhì),在抗腫瘤、抗氧化、預(yù)防骨質(zhì)疏松、緩解更年期綜合癥等方面有著顯著的功效。由于異黃酮的結(jié)構(gòu)與β-雌二醇相似,可發(fā)揮弱雌激素作用,用于治療由雌激素缺乏導(dǎo)致的血脂升高[2];也能夠與成骨細(xì)胞內(nèi)的受體結(jié)合,促進(jìn)骨質(zhì)的活性,提高骨密度,預(yù)防骨質(zhì)疏松癥[3]。同時(shí),作為類(lèi)黃酮的一種,它有著黃酮類(lèi)物質(zhì)抗氧化的特點(diǎn),能在抗腫瘤,清除自由基反應(yīng)等方面發(fā)揮作用。以往研究證明染料木素在生理?xiàng)l件下是一種很有效的自由基清除劑[4],可減輕自由基帶來(lái)的氧化還原反應(yīng)對(duì)機(jī)體DNA的損害[5],在保護(hù)肝臟防治細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷以及改善心血管疾病方面也具有重要作用。因此異黃酮的抗氧化能力可以為機(jī)體提供一定的保護(hù)。此外,研究也證明異黃酮能夠通過(guò)調(diào)節(jié)色氨酸的代謝通路從而緩解由谷氨酸引起的抑郁癥狀[6]。具體功能見(jiàn)附表2(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034264)。

3 異黃酮的生物合成

3.1 異黃酮的合成路徑

異黃酮的合成過(guò)程由苯丙氨酸途徑和異黃酮合成途徑一起完成。苯丙氨酸代謝途徑是異黃酮合成的前提,其中3種主要的異黃酮化合物直接由苯丙氨酸途徑合成的,其他異黃酮化合物多數(shù)以葡萄糖苷-丙二酰-葡萄糖綴合物的形式貯存于液泡中。具體合成途徑為:苯丙氨酸(phenylalanine)作為最初底物,在苯丙氨酸解氨酶(phenylalanine ammonia-lyase,PAL)的作用下生成肉桂酸(cinnamic acid),之后由一種P450 單加氧酶-肉桂酸-4-羥化酶 (cinnamate-4-hydroxylase,C4H)催化形成P-香豆酸,經(jīng)4-香豆酰-CoA連接酶(4-coumaryl:coa ligase,4CL)連接一個(gè)輔酶A進(jìn)而形成P-香豆酰-CoA。此后一部分的P-香豆酰-CoA在查爾酮合酶 (chalcone synthase,CHS) 的作用下與3 分子的蘋(píng)果酰 CoA 發(fā)生縮合反應(yīng), 形成C6-C3-C6的骨架結(jié)構(gòu)。再經(jīng)過(guò)查爾酮還原酶 (chalcone reductase,CHR)催化生成異甘草素(isoliquiritigenin),在此條件下一部分的異甘草素經(jīng)過(guò)查爾酮異構(gòu)酶(chalcone isomerase,CHI)催化又可生成甘草素(glycyrrhizin),之后經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)可以生成大豆黃素(daidzein);保留部分的異甘草素經(jīng)過(guò)異黃酮合酶 (isoflavone synthase,IFS)可生成黃豆黃素(glyzein)。另一部分的P-香豆酰-CoA經(jīng)過(guò)CHI能夠生成柚皮素。柚皮素是黃酮類(lèi)和異黃酮類(lèi)物質(zhì)合成途徑中的共用底物,因此在此步驟中柚皮素的流向?qū)⒊蔀橛绊懏慄S酮合成的關(guān)鍵因素。之后在CHI和異黃酮合酶(IFS)的共同作用下可催化生成染料木苷(genistein)。

異黃酮合成代謝途徑的參與基因數(shù)量眾多,調(diào)控機(jī)制復(fù)雜,現(xiàn)在公認(rèn)的異黃酮合成途徑是由黃酮類(lèi)物質(zhì)合成的前體苯丙氨酸和丙二酰輔酶A經(jīng)過(guò)PAL、C4H、4CL、CHS、CHR、CHI等多種酶的催化、羥基化等過(guò)程[9]。具體過(guò)程見(jiàn)圖1[10]。

圖1 異黃酮合成代謝途徑及主要化合物
Fig.1 Isoflavone synthesis metabolic pathway and main compounds

3.2 異黃酮合成過(guò)程中的關(guān)鍵酶

研究發(fā)現(xiàn),異黃酮的積累是通過(guò)復(fù)雜的遺傳互作網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的[11]。在異黃酮合成的每個(gè)階段中都有大量的酶參與,而且酶與酶之間往往是通過(guò)相互影響、相互作用參與到合成途徑中。例如有研究證明異黃酮的積累由CHS8和IFS2共同調(diào)控[12],且與植物的發(fā)育階段有密切關(guān)系,呈現(xiàn)出時(shí)空表達(dá)的特點(diǎn)。在以往異黃酮合成途徑的研究中,已挖掘到 PAL、C4H、C3H、CHS 等多個(gè)參與異黃酮生物合成的重要酶。本文對(duì)異黃酮生物合成通路涉及到的關(guān)鍵酶進(jìn)行總結(jié),具體信息如表1所示。

表1 異黃酮合成代謝途徑中的關(guān)鍵酶及功能
Table 1 Key enzymes and functions in isoflavone synthesis metabolic pathway

相關(guān)酶酶功能參考文獻(xiàn)苯丙氨酸解氨酶(PAL)苯丙氨酸代謝途徑的關(guān)鍵酶和限速酶,影響異黃酮合成途徑下游基因的表達(dá)[13]肉桂酸-4-羥基化酶(C4H)將反式肉桂酸催化生成香豆酸。在大豆生殖生長(zhǎng)后期,促進(jìn)異黃酮在豆莢和籽粒中的積累[14]黃烷酮-3-羥化酶(F3H)F3H減少了異黃酮的合成與積累。[15]4-香豆酸輔酶 A 連接酶(4CL)催化阿魏酸、香豆酸等底物生成 CoA 酯,也以芥子酸為底物生成芥子醇有助于木質(zhì)素的積累[16]查爾酮合酶(CHS)CHS可在合成途徑中建立基本骨架,是催化反應(yīng)的關(guān)鍵酶。也影響花色素的合成以及植物抗性。[17]查爾酮還原酶(CHR)控制異黃酮中大豆苷元的生物合成的關(guān)鍵酶,與CHS共同作用催化異甘草素的合成。[18]查爾酮異構(gòu)酶(CHI)催化分子內(nèi)的環(huán)化反應(yīng),即催化二環(huán)的查爾酮等形成對(duì)應(yīng)的三環(huán)化合物。[19]異黃酮合酶(IFS)兩類(lèi)IFS共同決定了大豆種子中異黃酮的合成,催化genistein的生物合成[20]

苯丙氨酸解氨酶(PAL)作為植物苯丙氨酸途徑的第一個(gè)酶,廣泛分布于植物和少數(shù)微生物中,現(xiàn)已在水稻、玉米、小麥等作物中都已分離純化得到PAL[21]。在高等植物中PAL家族含有多個(gè)家族成員,例如在擬南芥中有4個(gè)PAL家族成員,菜豆中有2個(gè)、歐芹中存在4個(gè),楊樹(shù)中至少存在2個(gè),茶樹(shù)中存在1個(gè)PAL家族成員[22]。對(duì)已報(bào)道的不同物種中PAL的成員個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(附表3,https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034264),結(jié)果表明不同物種中所含PAL的基因家族成員個(gè)數(shù)不盡相同,但PAL家族成員序列具有較高的同源性,這表明PAL各成員都在異黃酮合成中具有重要意義。作為苯丙氨酸起始關(guān)鍵酶,PAL發(fā)揮著重要的作用。研究證實(shí)PAL能通過(guò)調(diào)控植物中苯丙氨酸代謝,影響相關(guān)代謝物質(zhì)的積累,從而影響植物對(duì)生物脅迫和非生物脅迫的抗性及植物花色、花香的形成等。PAL多存在于植物表皮下的細(xì)胞以及微管組織中,而從亞細(xì)胞定位的情況來(lái)看PAL多數(shù)存在于細(xì)胞質(zhì)中,這是植物苯丙氨酸代謝發(fā)生的主要場(chǎng)所。以往研究顯示大豆在幼苗時(shí)期的異黃酮含量要比成熟期高,說(shuō)明異黃酮的含量與植物的發(fā)育時(shí)期有著密切關(guān)系,且證實(shí)主要由于PAL通過(guò)影響4CL、IFS2、CHS2和CHS1等基因的變化來(lái)調(diào)控異黃酮的合成[23],表明PAL影響著異黃酮合成途徑中的下游基因的表達(dá),從而影響著異黃酮的合成。此外,植物不同部位異黃酮的表達(dá)也存在差異。異黃酮在水稻的莖、葉、種子中有表達(dá),但是在3個(gè)部位隨著發(fā)育時(shí)期的不同,PAL的表達(dá)出現(xiàn)差異性[24]。宋修鵬等[25]也發(fā)現(xiàn)異黃酮在根中的表達(dá)尤其顯著,在葉片中的表達(dá)量相對(duì)而言較少[25]。

肉桂酸-4-羥基化酶(C4H)是植物中第一個(gè)被鑒定出來(lái)的P450單加氧酶,而且在植物的各組織部位都表達(dá)出較高的活性[26]。肉桂酸-4-羥化酶(C4H)以肉桂酸為底物催化形成對(duì)-香豆酸[13],參與苯丙氨酸途徑的氧化反應(yīng)[26]。同PAL一樣的是在不同植物中C4H的基因個(gè)數(shù)也不同。C4H在大豆發(fā)育前期表達(dá)量出現(xiàn)峰值,而且異黃酮的含量也有所升高,因此C4H的表達(dá)促進(jìn)異黃酮的合成[27]。除此以外,C4H和PAL的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致,都受到植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及外界刺激因素的調(diào)控[26]。

4-香豆酸輔酶 A 連接酶(4CL)是苯丙氨酸途徑的最后一個(gè)關(guān)鍵酶,催化各種羥基肉桂酸生成對(duì)應(yīng)的硫酯,參與苯丙氨酸和各種末端產(chǎn)物合成途徑。其作用機(jī)制可以分為2種,一是以香豆素酸、咖啡酸和阿魏酸為底物催化為芥子醇,二是4CL以芥子酸為底物生成芥子酰-輔酶A[28]。4CL在葉片和豆莢中表達(dá),4CL在大豆發(fā)育時(shí)期的后期出現(xiàn)峰值,促使與C4H共同生成的香豆酰-CoA進(jìn)入異黃酮生物合成途徑[29-30]。

查爾酮合酶(CHS)是異黃酮合成途徑中第一個(gè)分支酶,是異黃酮表達(dá)的關(guān)鍵酶之一[14]。在多數(shù)植物中能夠催化4-香豆酰-CoA生成查爾酮,參與異黃酮的合成途徑,但是在少數(shù)植物中也可以將肉桂酰-輔酶A或者咖啡酰-輔酶A作為底物生成黃酮類(lèi)物質(zhì)黃烷酮[31]。CHS在異黃酮合成途徑中的作用不亞于PAL的作用。在豆科植物中CHS有8個(gè)家族成員,在異黃酮合成途徑的下游發(fā)揮了重要作用。但是8個(gè)基因家族成員在植物中具有組織特異性表達(dá)的特點(diǎn),CHS1主要在葉片中表達(dá),CHS2主要在子葉中表達(dá),CHS7和CHS8主要在種皮中表達(dá),而剩余的家族基因在各部位的表達(dá)量并不顯著。研究表明, CHS能影響花色素的形成,如抑制矮牽牛中CHS基因的表達(dá),矮牽牛出現(xiàn)白色花或花色素分布不同的情況[32]。此外, CHS與大豆抗性形成有關(guān)。有研究表明轉(zhuǎn)入CHS基因的番茄中黃酮醇的表達(dá)增高,且番茄的抗氧化能力提高[33];而在楊樹(shù)中過(guò)表達(dá)的CHS增強(qiáng)了楊樹(shù)對(duì)低溫脅迫的耐受性,使其對(duì)低溫環(huán)境的敏感性降低[34]。

查爾酮還原酶(CHR)是大豆中異黃酮合成必不可少的一種酶,有研究表明CHR對(duì)于染料木素的合成有重要影響[35]。而且在低大豆苷元含量的品種中CHR的含量也低,這代表著CHR的含量與大豆苷元的合成也有關(guān)系。SREEVIDYA等[36]認(rèn)為CHR發(fā)揮作用與CHS有關(guān),CHR將在染料木素合成途徑中CHS催化形成的中間物質(zhì)催化形成異甘草素,有學(xué)者推測(cè)CHR和CHS的能夠結(jié)合使得CHS蛋白性質(zhì)改變,從而使得CHS最終催化產(chǎn)物從查爾酮變?yōu)楫惛什菟豙37]。CHR的表達(dá)目前僅存于豆科植物中,而且表達(dá)量也很低,但CHR的作用機(jī)制相對(duì)復(fù)雜,是否有其他輔助因子的參與也更有待研究。

查爾酮異構(gòu)酶(CHI)是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的異黃酮合成的關(guān)鍵酶,這主要因?yàn)樗軌虼呋纬深?lèi)黃酮類(lèi)色素[33, 37]。在豆科植物中存在2種CHI,即為Ⅰ型 CHI 和Ⅱ型 CHI[38]。Ⅰ型 CHI也存在于一些非豆科植物中,與黃酮類(lèi)、花青素的合成代謝有關(guān),Ⅱ型 CHI的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能夠催化異甘草素生成甘草素等,進(jìn)而生成大豆苷元。大豆中異黃酮的合成主要是由Ⅱ型 CHI控制的[39]。有研究表明,兩種CHI雖都在大豆中表達(dá),但兩者的同源性?xún)H為50%左右[40],而且表達(dá)方式也不同,Ⅰ型 CHI主要在花組織與F3H協(xié)調(diào)表達(dá)參與異黃酮的合成途徑,Ⅱ型CHI在根中有特異性表達(dá),它通過(guò)與IFS協(xié)同調(diào)節(jié)參與異黃酮的合成途徑[40]。雖然Ⅰ型CHI和Ⅱ型CHI的表達(dá)存在差異,但有趣的是類(lèi)黃酮和異黃酮的合成過(guò)程中Ⅰ型和Ⅱ型CHI共享柚皮素這一重要的中間產(chǎn)物[40]。這代表雖然參與途徑各不相同,但各種酶可以通過(guò)協(xié)同作用參與生物合成機(jī)制來(lái)控制每種中間產(chǎn)物的流向。

黃烷酮-3-羥化酶 (flavonone 3β-hydroxylase,F3H)的表達(dá)與異黃酮的合成呈負(fù)相關(guān)。這要?dú)w咎于F3H與異黃酮合成的相關(guān)酶呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[27],花青素也通過(guò)類(lèi)黃酮合成機(jī)制來(lái)進(jìn)行合成,F3H會(huì)促進(jìn)花青素的合成,因此它的有效表達(dá)將過(guò)多底物用于合成花青素。研究證明轉(zhuǎn)入玉米C1和R轉(zhuǎn)錄因子的大豆籽粒中能夠抑制F3H合成花青素從而使得異黃酮的含量升高[10]。由于合成異黃酮的底物減少,因此作為異黃酮合成的下游基因,抑制F3H或者F3H基因沉默更有利于異黃酮的合成。

異黃酮合酶(IFS)是一種細(xì)胞色素P450單加氧酶[35],也是異黃酮類(lèi)物質(zhì)合成的第一個(gè)催化酶[21]。它能夠在NADPH和O2的輔助下催化柚皮素和甘草素完成C2-C3遷移[20]。它首次由HAGMANN團(tuán)隊(duì)在處理后的大豆培養(yǎng)基上發(fā)現(xiàn)了IFS [41],由于它在植物中的含量較低而且不穩(wěn)定,因此他發(fā)揮作用多同其他酶協(xié)作進(jìn)行。易金鑫等[12]發(fā)現(xiàn)在農(nóng)桿菌中轉(zhuǎn)化CHS8和IFS2的大豆種子異黃酮的含量要高于分別轉(zhuǎn)化兩種基因的大豆種子的異黃酮含量。其作用機(jī)制目前有兩種說(shuō)法,其一為與CHI合成的柚皮素形成染料木素,其二是在CHR的參與下形成大豆苷元[35]。在豆科植物的合成代謝途徑中柚皮素是一種非常重要的前體物質(zhì),黃酮、花青素以及染料木素的合成都曾涉及到柚皮素。研究表明柚皮素在F3H的催化下合成花青素,而且也與CHI調(diào)節(jié)染料木素的合成[42]。

3.3 異黃酮合成過(guò)程中的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子

轉(zhuǎn)錄因子通常作用于其目標(biāo)基因的啟動(dòng)子區(qū)域并調(diào)節(jié)該基因表達(dá)[43]。異黃酮合成途徑涉及到的多數(shù)基因都以基因家族的形式出現(xiàn),且不同基因家族參與不同的代謝途徑。而轉(zhuǎn)錄因子能夠通過(guò)多種機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié),如改變其mRNA/蛋白豐度或通過(guò)翻譯后修飾[44]。對(duì)于異黃酮的合成與累積而言,轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控必不可少。

MYB轉(zhuǎn)錄因子是高等植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[45],在擬南芥有超過(guò)100個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子[46],參與了包括苯丙氨酸代謝在內(nèi)的多種植物代謝過(guò)程。研究表明MYB轉(zhuǎn)錄因子多數(shù)為R2R3類(lèi)型[47],在植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)方面都有著重要作用,如參與次生代謝途徑,調(diào)控細(xì)胞分化,抵御外界的各種脅迫等等[48]。有研究表明GmMYB29和GmMYB133是異黃酮合成的正向調(diào)節(jié)因子,通過(guò)調(diào)節(jié)IFS2和CHS8的啟動(dòng)子從而激活I(lǐng)FS2和CHS8的表達(dá),從而參與大豆中異黃酮的合成[49]。GmMYB39可以通過(guò)抑制CHS的活性,來(lái)抑制異黃酮的合成[50]。R1型MYB家族轉(zhuǎn)錄因子GmMYB176可以激活CHS8啟動(dòng)子的活性,使其毛狀根中的異黃酮的含量增加[51]。2種R2R2型MYB轉(zhuǎn)錄因子GmMYB133和GmMYB176能夠形成異二聚體,同自身也可形成同二聚體[49],參與異黃酮的合成途徑。GmMYB58和GmMYB205也是MYB因子家族的兩種關(guān)鍵正向調(diào)控物,GmMYB58和GmMYB205能夠激活CHS、IFS的啟動(dòng)子活性,促進(jìn)大豆種子中的異黃酮的合成[29]。GmMYB100是MYB家族R2R3型調(diào)控因子,該因子是一種負(fù)向調(diào)控因子。有研究表明GmMYB100的過(guò)表達(dá)與大豆毛狀根和擬南芥中類(lèi)黃酮的相關(guān)表達(dá)基因的水平呈反比, GmMYB100通過(guò)調(diào)節(jié)CHI和IFS的啟動(dòng)子的活性來(lái)抑制異黃酮的合成[30]。值得注意的是GmMYB100不光在大豆的根中表達(dá),在花、葉和胚胎中也有表達(dá)[30]。GmMYBJ3也是一種典型的R2R3MYB轉(zhuǎn)錄因子,事實(shí)表明,GmMYBJ3在大豆胚乳中通過(guò)激活CHS8和CHI1A的啟動(dòng)子,促進(jìn)異黃酮的累積[30]。GmMYB12A和GmMYB12B2通過(guò)促進(jìn)PAL、CHS等酶的表達(dá),從而達(dá)到促進(jìn)異黃酮積累的目的[48]。GmMYB183也是MYB轉(zhuǎn)錄因子之一,不過(guò)與之前的調(diào)控機(jī)制不同的是該基因能夠在鹽脅迫下激活GmCYP81E11d的表達(dá)促進(jìn)類(lèi)黃酮的表達(dá)增強(qiáng)了抗鹽性[52]。

bHLH轉(zhuǎn)錄因子普遍存在于多種生物中,也是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一[53],其中擬南芥中存在162個(gè)bHLHs轉(zhuǎn)錄因子[53]。bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)域可以分為一個(gè)HLH區(qū)域和一個(gè)堿性區(qū)域,其中HLH區(qū)域含有一個(gè) α螺旋-環(huán)-α螺旋的結(jié)構(gòu)部位,堿性區(qū)域能夠識(shí)別作用元件并與之結(jié)合[54]。同時(shí),HLH還可以使轉(zhuǎn)錄因子之間形成同基因二聚體或者與bHLH其他亞族的轉(zhuǎn)錄因子形成異二聚體[53],這是bHLHs轉(zhuǎn)錄因子能夠發(fā)揮作用的原因。同時(shí),多數(shù)的bHLHs還可以特異性識(shí)別并結(jié)合G-Box(5′-CACGTG-3′)序列[55]。以往研究表明MYC含有bHLH結(jié)構(gòu)域,是bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子的亞族,而在長(zhǎng)春花中發(fā)現(xiàn)G-Box能夠與CrMYC1和CrMYC2結(jié)合,促進(jìn)下游基因表達(dá)[56]。其生物學(xué)功能涉及到植物生長(zhǎng)的多個(gè)方面。例如bHLH- MYB結(jié)合體可以與WD40形成轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體參與擬南芥表皮毛的生長(zhǎng)[57]。bHLH轉(zhuǎn)錄因子也具有調(diào)控異黃酮合成的功能。劉德泉等人發(fā)現(xiàn)bHLH-MYC類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子家族成員GmbHLH3a和GmMYC2在大豆胚乳的發(fā)育后期有高表達(dá),促進(jìn)大豆胚乳中異黃酮的合成[53]。王慶鈺等[58]在大豆品種吉林32中得到GmbHLH13A7和GmbHLH3B13兩個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子,并且在大豆的花和胚乳中有高表達(dá),并從轉(zhuǎn)基因大豆籽粒中發(fā)現(xiàn)異黃酮含量提高了24%～27%,因此兩種轉(zhuǎn)錄因子都可正向調(diào)節(jié)異黃酮的合成。王天亮等[54]在吉林32中得到GmbHLH3和GmPIF1兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子,并在大豆發(fā)根中有高表達(dá)。在過(guò)表達(dá)的GmbHLH3的大豆株系中,GmPAL1、GmC4H、Gm4CL、GmCHI1B1、GmIFS2和GmF3H基因的表達(dá)量也增高。在過(guò)表達(dá)GmPIF1的株系中,GmCHI1B1、GmPAL1和GmIFS2基因的表達(dá)水平提高。這代表GmbHLH3和GmPIF1對(duì)大豆發(fā)根中異黃酮的合成有正向調(diào)節(jié)作用。

表2 異黃酮合成過(guò)程中相關(guān)轉(zhuǎn)錄基因
Table 2 Related genes transcribed during isoflavone synthesis

基因家族轉(zhuǎn)錄因子基因功能參考文獻(xiàn)MYBGmMYB29GmMYB176GmMYB 133GmMYB58GmMYB205GmMYB100GmMYBJ3GmMYB183GmMYB39能激活I(lǐng)FS2啟動(dòng)子和CHS8啟動(dòng)子調(diào)控CHS8基因的表達(dá)和異黃酮合成的調(diào)控,是異黃酮合成中的正向調(diào)控因子GmMYB133能夠促進(jìn)GmCHS8和GmIFS2的表達(dá),促進(jìn)了異黃酮在通路中的積累GmMYB58和GmMYB205兩類(lèi)基因激活了異黃酮通路中其他相應(yīng)酶基因的表達(dá)抑制大豆查爾酮合酶和查爾酮異構(gòu)酶的啟動(dòng)子活性GmMYBJ3在大豆胚胎中表達(dá)而且大豆胚胎中的異黃酮的總量與基因的上調(diào)成正相關(guān)該基因的磷酸化會(huì)影響轉(zhuǎn)基因根的耐鹽性通過(guò)抑制CHS的活性,進(jìn)而抑制異黃酮的合成[51][59][49][29][30][60][52][50]bHLHGmbHLH3aGmMYC2GmbHLH13A7GmbHLH3B13GmbHLH3GmPIF1促進(jìn)大豆胚乳中異黃酮的合成有利于大豆胚乳中異黃酮的合成正向調(diào)節(jié)異黃酮的合成促進(jìn)GmPAL1、GmC4H、Gm4CL、GmIFS2和GmF3H基因的表達(dá)從而促進(jìn)異黃酮合成通過(guò)促進(jìn)Gm CHI1B1、Gm PAL1和 Gm IFS2 基因的表達(dá),促進(jìn)異黃酮的合成[53][58][54]

4 展望

異黃酮是一種主要活躍于豆科植物中的活性成分,不僅對(duì)豆科植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用,而且對(duì)人體具有顯著的保健作用,在抗腫瘤、預(yù)防心血管疾病和骨質(zhì)疏松癥等方面都有著良好的功效。但由于植物中的含量較少,很難通過(guò)從植物中提取異黃酮滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。因此提高植物體內(nèi)異黃酮的含量和體外合成異黃酮,研究其合成通路和調(diào)控機(jī)制是有效途徑之一。異黃酮的合成由典型的苯丙氨酸代謝途徑和異黃酮合成途徑共同完成,其合成過(guò)程中涉及到大量的酶。雖然目前研究對(duì)涉及異黃酮合成途徑的相關(guān)酶進(jìn)行了酶活性分析,并對(duì)相應(yīng)的基因進(jìn)行克隆、表達(dá)分析和功能鑒定,然而異黃酮的生物合成是一個(gè)非常復(fù)雜的基因互作網(wǎng)絡(luò),涉及的轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量十分龐大,因此對(duì)于未知的參與異黃酮生物合成途徑的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子還有待挖掘。且異黃酮的存在范圍是很小的,是否可以通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化體系獲得更高含量的異黃酮也有待研究。

異黃酮的相關(guān)研究工作已經(jīng)取得了一定的成效,但在以下方面還需要深入研究:a)現(xiàn)階段在異黃酮的生物合成方面,各階段的關(guān)鍵基因仍然存在分歧。此外,轉(zhuǎn)錄因子是異黃酮合成途徑中關(guān)鍵酶發(fā)揮作用的前提,就目前的研究來(lái)看,還需擴(kuò)大轉(zhuǎn)錄因子的研究范圍,挖掘和探索異黃酮合成途徑中的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子,豐富異黃酮合成的調(diào)控機(jī)制;b)異黃酮在植物中存在范圍較窄,需深入研究異黃酮生物合成途徑的關(guān)鍵酶和轉(zhuǎn)錄因子,通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)在其他非豆科植物中實(shí)現(xiàn)異黃酮的生物合成。

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網(wǎng)址: 異黃酮生物合成通路及關(guān)鍵酶研究進(jìn)展 http://m.u1s5d6.cn/newsview460484.html