bHLH轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控藥用植物萜類化合物生物合成的研究進(jìn)展△

張凱倫，羅祖良，郭玉華，石宏武，馬小軍,2*

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所，北京 100193；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 藥用植物研究所云南分所，云南 景洪 666100)

·綜述·

bHLH轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控藥用植物萜類化合物生物合成的研究進(jìn)展△

張凱倫1，羅祖良1，郭玉華1，石宏武1，馬小軍1,2*

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所，北京 100193；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 藥用植物研究所云南分所，云南 景洪 666100)

萜類是種類最多的植物次生代謝產(chǎn)物，具有廣泛的藥理活性，但含量低是普遍存在的問題。轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor，TFs)能在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控次生代謝合成途徑中多個(gè)基因的協(xié)同表達(dá)，與植物的生長發(fā)育、形態(tài)建成、次生代謝、抗逆反應(yīng)和激素信號(hào)有著密切的關(guān)系，其中bHLH類轉(zhuǎn)錄因子是最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一。隨著bHLH轉(zhuǎn)錄因子在不同藥用植物中被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，如何在基因工程和代謝工程中應(yīng)用，提高萜類化合物的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，滿足廣大患者的需要成為研究的熱點(diǎn)。本文主要總結(jié)了近年來bHLH轉(zhuǎn)錄因子對(duì)萜類合成途徑的調(diào)控作用。

bHLH轉(zhuǎn)錄因子；萜類化合物；調(diào)控；合成途徑

轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors，TFs)即反式作用分子，在細(xì)胞核內(nèi)能夠特異性識(shí)別并結(jié)合基因啟動(dòng)子上的順式作用元件(cis-acting element)，調(diào)控基因的時(shí)空表達(dá)。典型的植物轉(zhuǎn)錄因子是由核定位信號(hào)區(qū)(nuclear localization signal，NLS)、DNA結(jié)合區(qū)(DNA binding domain，DBD)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)(transcription regulation domain，TRD)和寡聚化位點(diǎn)(oligomerization site，OS)組成。根據(jù)其中DNA結(jié)合區(qū)氨基酸序列的不同，可分為bHLH結(jié)構(gòu)域、MYB結(jié)構(gòu)域、bZIP結(jié)構(gòu)域、鋅指結(jié)構(gòu)域、MADS結(jié)構(gòu)域、AP2/EREBP結(jié)構(gòu)域、Homeo結(jié)構(gòu)域等，其中一些結(jié)構(gòu)域又可根據(jù)氨基酸殘基的數(shù)量和位置劃分為幾個(gè)亞類[1]。本文對(duì)含有bHLH結(jié)構(gòu)域的植物bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行綜述。

bHLH(basic helix-loop-helix，bHLH)類轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一。近幾年，已鑒定的bHLH轉(zhuǎn)錄因子的數(shù)量大量增加，在植物的生長發(fā)育、抗逆性、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及次生代謝調(diào)控等方面有重要作用[2-6]。至今在植物中已發(fā)現(xiàn)600多種bHLH轉(zhuǎn)錄因子，已經(jīng)完成系統(tǒng)性鑒定和分類的有擬南芥Arabidopsisthaliana、楊樹Populustrichocarpa、水稻Oryzasativa、番茄Solanumlycopersicum、大白菜Brassicarapassp.pekinensis等高等植物[7-9]。

1 bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)

bHLH轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域由兩個(gè)相連的基本亞區(qū)構(gòu)成(約60個(gè)氨基酸殘基)，即堿性氨基酸區(qū)域(basic region)和α螺旋1-環(huán)-α螺旋2區(qū)域(HLH region)。堿性區(qū)對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄有調(diào)控作用，負(fù)責(zé)與DNA上的順式作用元件E-box(5′-CANNTG-3′)結(jié)合，其中81%的順式作用元件為其亞型G-box(5′-CACGTG-3′)。HLH區(qū)域主要負(fù)責(zé)蛋白與蛋白間的相互作用，形成同型或異型二聚體。例如，擬南芥中bHLH轉(zhuǎn)錄因子PIF3(phytochrome interacting factor3)不僅能自身形成同型二聚體，還能與HFR1(long hypocotyl in far-red)蛋白結(jié)合形成異型二聚體，參與光敏色素A的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[10-11]。bHLH還可以與其他轉(zhuǎn)錄因子家族，如MYB類轉(zhuǎn)錄因子形成二聚體或三聚體發(fā)揮作用。例如，參與花青素合成的MBW(MYB-bHLH-WD40)三聚體轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物[12]。還有一些缺少堿性區(qū)的bHLH蛋白，能通過與其他bHLH蛋白形成二聚體，抑制目標(biāo)基因的表達(dá)[9]。此外，轉(zhuǎn)錄因子還可以形成非DNA結(jié)合二聚體。例如，擬南芥中的 bHLH類轉(zhuǎn)錄因子MYC2與bZIP類轉(zhuǎn)錄因子GBF1在植物體內(nèi)并不直接結(jié)合形成異型二聚體，而是分別與基因啟動(dòng)子區(qū)鄰近但堿基種類不同的E-box結(jié)合而產(chǎn)生相互拮抗作用[13]。

2 bHLH轉(zhuǎn)錄因子的分類

目前，已利用全基因組測(cè)序從擬南芥Arabidopsisthaliana、水稻Oryzasativa、煙草Nicotianatabacum、葡萄(Vitisvinfera、番茄Solanumlycopersicum等模式植物中分別獲得164個(gè)、180個(gè)、190個(gè)、至少191個(gè)、159個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子[7，14]。對(duì)這些bHLH轉(zhuǎn)錄因子主要采用的分類方法與相結(jié)合的基因啟動(dòng)子上順式作用元件的序列有關(guān)。有研究者[15-16]根據(jù)bHLH的堿性DNA結(jié)合模式，將bHLH分為A、B、C、D、E共5個(gè)組。A組bHLH蛋白可以與E-box(5′-CANNTG-3′)保守序列結(jié)合；B組能與G-box(5′-CACGTG-3′)基序特異性結(jié)合；C組由B組進(jìn)化而來，具有1～2個(gè)PAS結(jié)構(gòu)域(DrosophilaPeriod-human Arnt-DrosophilaSingle-minded domains)；D組沒有堿性DNA結(jié)合區(qū)，不能結(jié)合DNA，可能通過與其他能夠結(jié)合DNA的bHLH蛋白形成二聚體而產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用；E組堿性區(qū)富含脯氨酸或甘氨酸，能夠特異性結(jié)合N-box(5′-CACGNG-3′)。植物的bHLH轉(zhuǎn)錄因子大多屬于B組。由于擬南芥和水稻的全基因組測(cè)序完成較早，很多研究者對(duì)這兩種植物中的bHLH家族進(jìn)行了分類。Heim等[17]和Toeldo-Oritz等[11]分別將擬南芥bHLH基因分為12個(gè)主要組和21個(gè)家族，Lee等[18]將水稻bHLH基因分為22個(gè)家族。然而，隨著越來越多擬南芥中非典型bHLH轉(zhuǎn)錄因子的發(fā)現(xiàn)，具有很大差異的bHLH蛋白無法根據(jù)分類中的保守序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，如At163KDR、At164PRE5、At165PAR1、At166PAR2等[18-20]，它們的堿性區(qū)有很大的不同，且與DNA結(jié)合的序列特征性不強(qiáng)。2010年，Lorenzo等[7]將含有新發(fā)現(xiàn)的非典型bHLH轉(zhuǎn)錄因子的擬南芥、楊樹、水稻、小立碗蘚和5種藻類的638個(gè)bHLH基因根據(jù)已有的擬南芥和水稻bHLH基因家族中與二聚化區(qū)域一致的INTERPRO 001092結(jié)構(gòu)域，重新分成了32個(gè)亞家族。然而，由于已知植物bHLH基因序列和bHLH蛋白功能研究開展較少，至今對(duì)植物中bHLH的分類仍沒有定論，需待更多植物中bHLH基因序列的發(fā)現(xiàn)和蛋白分析，從中找到規(guī)律進(jìn)行分類。

3 bHLH轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物萜類次生代謝產(chǎn)物合成的調(diào)控

bHLH轉(zhuǎn)錄因子通過在轉(zhuǎn)錄水平與相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件結(jié)合，激活或抑制相關(guān)基因的表達(dá)，在植物的生長發(fā)育[21]、抗逆反應(yīng)[22]、次生代謝[23]等過程中起著重要的作用。次生代謝產(chǎn)物萜類化合物是以異戊二烯為結(jié)構(gòu)單元的天然化合物，其在抗腫瘤[24]、抗HIV[25]、防治心腦血管疾病[26]等方面的多種生物活性使得對(duì)萜類化合物合成途徑及其調(diào)控的研究具有重大意義。

目前，已報(bào)道的參與萜類化合物生物合成調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子主要為AP2/ERF和WRKY類型。bHLH轉(zhuǎn)錄因子主要在黃酮類花青素及生物堿類尼古丁等化合物的合成中發(fā)揮作用，對(duì)萜類化合物的調(diào)控作用研究相對(duì)較少，對(duì)已分離出的bHLH轉(zhuǎn)錄因子的功能鑒定更少。萜類產(chǎn)物代謝合成途徑在長春花Catharanthusroseus和紫杉Taxuscuspidata中的研究最為透徹。以下總結(jié)了近年來從藥用植物中發(fā)現(xiàn)的與萜類代謝合成有關(guān)的bHLH轉(zhuǎn)錄因子，其中對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的篩選和功能驗(yàn)證方法值得分析和借鑒。

文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，MYC類轉(zhuǎn)錄因子是分離數(shù)目最多、研究最徹底的bHLH轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)它也是茉莉素信號(hào)途徑的調(diào)控因子，已證明其能夠參與長春花、紫杉、擬南芥和西紅柿等植物中萜類生物合成基因的調(diào)控。Zhang等[27]在長春花中利用酵母單雜法，以參與萜類吲哚生物堿生物合成的異胡豆苷合成酶(strictosidine synthase，STR)基因啟動(dòng)子區(qū)G-box的四聚體為誘餌，分離得到5個(gè)MYC類轉(zhuǎn)錄因子CrMYC1-5[28]，其中CrMYC1和CrMYC2證明可能參與長春花中萜類吲哚生物堿的生物合成過程。CrMYC1可以與G-box特異性結(jié)合，且在長春花懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中受真菌誘導(dǎo)子和茉莉酸甲酯的誘導(dǎo)后，CrMYC1和STR基因的mRNA水平均上調(diào)，表明CrMYC1可能通過響應(yīng)這些信號(hào)分子來調(diào)控STR基因的表達(dá)[29]。另外，EMSA(electrophoretic mobility shift assay，EMSA)實(shí)驗(yàn)表明，CrMYC2蛋白能與ORCA3(octadecanoid-derivative responsive Catharanthus AP2-domain protein3，ORCA3)基因啟動(dòng)子中含有類G-box序列(AACGTG)的JRE序列(jasmonate-responsive element，JRE)結(jié)合，且CrMYC2的過表達(dá)和敲除能分別提高和降低ORCA的mRNA水平，說明CrMYC2對(duì)ORCA基因有激活作用。實(shí)驗(yàn)同時(shí)觀察到，CrMYC2對(duì)生物堿早期合成基因的表達(dá)量無影響，但能調(diào)控下游合成基因的表達(dá)。為了篩選上游基因的調(diào)控因子，Van等[30]結(jié)合多個(gè)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過分析長春花中與萜類吲哚生物堿合成途徑上游基因(位于LAMT基因上游)表達(dá)模式相同的轉(zhuǎn)錄因子，鑒定了長春花中另一個(gè)非MYC類轉(zhuǎn)錄因子BIS1(bHLH iridoid synthesis 1)，它能調(diào)控生物堿早期合成基因(包括從牻牛兒基焦磷酸到番木鱉酸合成途徑中的所有基因)的轉(zhuǎn)錄水平，且在懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中過表達(dá)BIS1可以提高環(huán)烯醚萜和單萜吲哚生物堿的積累，至此能夠調(diào)控整條合成途徑的轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)找到，為長春花中萜類吲哚生物堿的合成生物學(xué)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

在紫杉中也發(fā)現(xiàn)了4個(gè)MYC類轉(zhuǎn)錄因子。李書濤[31]采用酵母單雜交技術(shù)，以二萜紫杉醇合成途徑中的前期步驟基因紫杉二烯合酶基因ts(taxadiene synthase，ts)啟動(dòng)子中一段響應(yīng)茉莉酸甲酯的片段(-239/-131)為誘餌，篩選到轉(zhuǎn)錄因子基因TcMYC，它在中國紅豆杉細(xì)胞中的過表達(dá)可激活ts基因的表達(dá)。酵母單雜交法是最常用的分離轉(zhuǎn)錄因子的方法，此外，還有利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)或突變體等對(duì)比有表達(dá)差異變化的基因序列，從而篩選候選bHLH轉(zhuǎn)錄因子再進(jìn)行驗(yàn)證的方法。Lenka等[32]通過設(shè)計(jì)簡并引物及篩選轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，在紫杉中鑒定了3個(gè)受茉莉酸甲酯誘導(dǎo)的MYC轉(zhuǎn)錄因子TcJAMYC1、TcJAMYC2、TcJAMYC4。EMSA實(shí)驗(yàn)證明，TcJAMYC1可以在體外結(jié)合E-box；與一般轉(zhuǎn)錄因子激活靶基因的作用不同，它們均負(fù)調(diào)控大多數(shù)參與紫杉醇生物合成基因的表達(dá)。在紫杉中僅分析了這4個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控，它們對(duì)終產(chǎn)物紫杉醇含量的影響還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

在擬南芥和番茄中也發(fā)現(xiàn)了MYC類轉(zhuǎn)錄因子。Hong等[33]在擬南芥中發(fā)現(xiàn)1個(gè)MYC2轉(zhuǎn)錄因子能與倍半萜合酶基因TPS21和TPS11的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，激活兩者的表達(dá)，使以(E)-β-石竹烯為主的倍半萜烯的釋放量增加，且能夠與擬南芥中的一個(gè)赤霉素信號(hào)抑制蛋白R(shí)GA(REPRESSOR OF GA1-3，RGA)結(jié)合，參與并調(diào)控赤霉素和茉莉素信號(hào)通路。Spyropoulou等[34]利用番茄莖毛狀體轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)及茉莉酸甲酯處理前后的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選出1個(gè)SIMYC1轉(zhuǎn)錄因子，它在煙草葉片中能瞬時(shí)激活4個(gè)萜烯合酶基因SlTPS3、SlTPS5、SlTPS7、SlTPS9的啟動(dòng)子。

除MYC類轉(zhuǎn)錄因子外，也發(fā)現(xiàn)一些其他類型的bHLH轉(zhuǎn)錄因子。青蒿素是公認(rèn)的抗瘧疾良藥，因此尋找調(diào)控合成途徑的轉(zhuǎn)錄因子具有重大的意義。Ji等[35]在黃花蒿轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫的3個(gè)候選bHLH轉(zhuǎn)錄因子中利用RACE技術(shù)及EMSA和酵母單雜驗(yàn)證方法分離了1個(gè)轉(zhuǎn)錄因子基因AabHLH1，它在黃花蒿葉片中的過表達(dá)能夠強(qiáng)烈激活倍半萜類化合物青蒿素合成途徑中關(guān)鍵酶基因ADS和CYP71AV1的表達(dá)。植物抗毒素能夠幫助植物對(duì)抗外界不良環(huán)境，bHLH也證明能夠參與植物抗毒素合成的調(diào)控。Yamamura等[36]在水稻中鑒定了1個(gè)能調(diào)控二萜類抗毒素(diterpenoid phytoalexins，DPs)合成的bHLH轉(zhuǎn)錄因子DPF(diterpenoid phytoalexin factor)，它能夠通過結(jié)合抗毒素合成途徑酶基因CPS2和CYP99A2啟動(dòng)子區(qū)的N-box，上調(diào)這些基因的轉(zhuǎn)錄水平，從而促進(jìn)抗毒素的積累。Mannen等[37]在擬南芥中通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中MEP途徑基因與轉(zhuǎn)錄因子之間的共表達(dá)分析以及觀察轉(zhuǎn)錄因子對(duì)這些基因表達(dá)的調(diào)控作用，最終篩選出了1個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子PIF5(phytochrome-interacting factor 5)，它可能以同源二聚體的形式發(fā)揮作用，在擬南芥T87懸浮培養(yǎng)細(xì)胞中的過表達(dá)可以促進(jìn)四萜類化合物類胡蘿卜素的積累。Shang等[38]通過對(duì)黃瓜Cucumissativus自然形成的突變體和乙基甲磺酸(ethylmethane sulfonate，EMS)誘導(dǎo)的突變體進(jìn)行篩選，得到2個(gè)分別在黃瓜葉子和果實(shí)中特異性表達(dá)的bHLH轉(zhuǎn)錄因子Bl(Bitter leaf)和Bt(Bitter fruit)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子均可與參與黃瓜中三萜類化合物苦味素C(cucurbitacin C，CuC)合成的1個(gè)氧化鯊烯環(huán)化酶(oxidosqualene cyclase，OSC)、1個(gè)脂肪酰轉(zhuǎn)移酶(acyltransferase，ACT)和7個(gè)細(xì)胞色素P450(cytochrome P-450 enzymes，P450s)基因的啟動(dòng)子結(jié)合，通過激活這9個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控黃瓜葉子和果實(shí)中苦味素的含量。

羅漢果Siraitiagrosuenorii與黃瓜均屬于葫蘆科植物，親緣關(guān)系較近。羅漢果和黃瓜中主要成分均為三萜類化合物，其中羅漢果中參與三萜合成途徑的氧化鯊烯環(huán)化酶基因CS(登陸號(hào)：HQ128567.1)與黃瓜中的氧化鯊烯環(huán)化酶基因Bi(登陸號(hào)：KM655855.1)有86%的同源性。不同生長時(shí)期的羅漢果果實(shí)中含有的甜苷V含量差別較大，據(jù)此得到的羅漢果轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[39]顯示，表達(dá)差異較大的轉(zhuǎn)錄因子為bHLH家族，在轉(zhuǎn)錄因子家族中數(shù)量最多。并且對(duì)羅漢果CS基因啟動(dòng)子的克隆發(fā)現(xiàn)，其啟動(dòng)子區(qū)含有G-box(數(shù)據(jù)未發(fā)表)。在黃瓜中發(fā)現(xiàn)了能與Bi基因啟動(dòng)子E-box結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，預(yù)測(cè)羅漢果中可能也有能與CS基因啟動(dòng)子區(qū)G-box結(jié)合的bHLH轉(zhuǎn)錄因子。由于羅漢果甜苷V是重要的非糖甜味劑，利用轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用增加甜苷V的產(chǎn)量必定會(huì)給糖尿病患者帶來福音。此外，在紫外輻射下的葡萄漿果果皮轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中也篩選到了3個(gè)候選bHLH轉(zhuǎn)錄因子，它們可能參與單萜類化合物的生物合成[40]。這些候選bHLH轉(zhuǎn)錄因子需要我們?cè)O(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的篩選和驗(yàn)證。

除了直接研究參與萜類合成途徑調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子以期促進(jìn)萜類化合物的積累，還可以通過促進(jìn)萜類化合物的分泌來提高其含量。很多植物中含有的萜類為揮發(fā)性物質(zhì)，其分泌與腺毛的分布密度和數(shù)量有關(guān)，如薄荷中的精油等[41]。研究表明，腺毛的發(fā)育受bHLH轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[42]。擬南芥中bHLH類轉(zhuǎn)錄因子基因GL3的過表達(dá)可使腺毛的數(shù)目增加[43]。因此，通過調(diào)控與腺毛相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子來促進(jìn)腺毛的發(fā)育和分泌是另一種可能提高藥用植物中萜類化合物產(chǎn)量的有效手段。

4 展望

近年來，隨著植物全基因組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的相繼展開，植物中參與萜類化合物代謝途徑的基因也被相繼克隆和功能分析，通過在植物組織或細(xì)胞中導(dǎo)入同源或異源基因，能提高代謝產(chǎn)物的含量，但受關(guān)鍵限速酶基因難定位、底物或中間產(chǎn)物量少，往往需要導(dǎo)入多個(gè)基因共表達(dá)等多個(gè)因素的限制，研究者的主要關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了這些基因表達(dá)的初期階段，使從轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子成為研究的熱點(diǎn)。以下是圍繞bHLH轉(zhuǎn)錄因子可以繼續(xù)深入研究的三個(gè)方面。

bHLH家族易與其他家族成員轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合形成二聚體或三聚體發(fā)揮作用，可以響應(yīng)多種植物激素及環(huán)境脅迫，也可以參與植物次生代謝產(chǎn)物的調(diào)控。為研究轉(zhuǎn)錄因子各家族之間、轉(zhuǎn)錄因子與多種信號(hào)通路之間、轉(zhuǎn)錄因子與多個(gè)合成途徑之間的聯(lián)系和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供可能的分子機(jī)制。另外，隨著越來越多的bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子的克隆和結(jié)構(gòu)解析，其分類及進(jìn)化演變過程有望得到解決。

已克隆的轉(zhuǎn)錄因子表明，其能不同強(qiáng)度地使基因在不同時(shí)空特異性表達(dá)。因此可以將分離出的bHLH轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入其他植物中，提高植物的抗性，如在檸檬中異源表達(dá)枳(Poncirustrifoliata)bHLH類轉(zhuǎn)錄因子ICE1(Inducer of CBF Expression 1)能提高檸檬在寒冷溫度下的耐受性[44]；或提高其調(diào)控的代謝途徑基因的表達(dá)量和終產(chǎn)物的含量，如將玉米中的MYC類轉(zhuǎn)錄因子LC和MYB類轉(zhuǎn)錄因子C1在番茄果肉中表達(dá)，激活其中參與黃酮類成分合成酶基因的表達(dá)，從而促進(jìn)果肉(原本幾乎不生成黃酮類成分)中黃酮類成分含量的積累[45]。植物的性狀也會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)錄因子而改變，如水稻中bHLH轉(zhuǎn)錄因子基因Kala4啟動(dòng)子區(qū)結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致花青素合成酶基因表達(dá)的上調(diào)，花青素的沉淀使稻米種皮顏色變黑，從而促進(jìn)了黑稻的產(chǎn)生[46]。因此，轉(zhuǎn)錄因子的應(yīng)用可以為農(nóng)作物及花卉等植物的性狀改良和新品種的培育提供廣闊的前景。

藥用植物中次級(jí)代謝產(chǎn)物具有良好的藥理活性，但含量普遍較低，因此研究者和工業(yè)生產(chǎn)的主要目標(biāo)為獲得高產(chǎn)量的次生代謝產(chǎn)物。合成生物學(xué)通過在底盤細(xì)胞中導(dǎo)入相應(yīng)生物原件，通過再現(xiàn)植物體中代謝途徑實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的定向、異源合成，為提高藥用植物次生代謝產(chǎn)物含量提供了新途徑。鑒于萜類化合物的合成途徑已為研究者們所熟知，酵母表達(dá)體系培養(yǎng)成本低且發(fā)酵工藝成熟，通過篩選最優(yōu)表達(dá)的酵母底盤菌、加入底物并轉(zhuǎn)化合成酶基因、尋找酵母菌最適的培養(yǎng)條件、從酵母培養(yǎng)液中分離獲得目標(biāo)產(chǎn)物，已經(jīng)成為工業(yè)上合成次生代謝產(chǎn)物的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)錄因子能夠同時(shí)誘導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)基因的協(xié)同表達(dá)，是除了尋找強(qiáng)啟動(dòng)子外另一個(gè)可能大幅度提高合成酶基因的表達(dá)及活性物質(zhì)產(chǎn)量的可能方法。然而關(guān)于bHLH轉(zhuǎn)錄因子在合成生物學(xué)方面的應(yīng)用還鮮有報(bào)道，對(duì)于這方面的研究或許可以作為未來一個(gè)新的研究方向，為利用基因工程、發(fā)酵工程和合成生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)藥用植物中紫杉醇、青蒿素等重要萜類化合物大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，為我國中醫(yī)藥的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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Research Progress on Regulation of bHLH Transcription Factors on Biosynthetic Pathway of Terpenoids in Medicinal Plants

ZHANG Kailun1，LUO Zuliang1，GUO Yuhua1，SHI Hongwu1，MA Xiaojun1,2*

(1.Institute of Medicinal Plant Development，Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College，Beijing100193，China；2.Yunnan Branch of Institute of Medicinal Plant Development，Chinese Academy of Medical Sciences，Jinghong 666100，China)

Terpenoids are the most diverse family among plant secondary metabolites，and they exhibit a wide range of pharmacological properties；however，their low content is a common problem.Transcription factors (TFs) are responsible for the regulation of coordinated expression of several genes involved in the synthetic pathway of secondary metabolites.They are in close relation to plant growth and development，morphogenesis，secondary metabolism，stress response and phytohormone signaling.As the discovery of bHLH TFs in various medicinal plants，how to use them in genetic and metabolic engineering to increase the productivity of terpenoids，realize large-scale industrial production and meet the needs of a great deal of patients have been a hot research topic.This review mainly summarizes the regulatory effect of bHLH TFs on terpenoids synthetic pathway in recent years.

bHLH transcription factor；terpenoids；regulation；synthetic pathway

國家自然科學(xué)基金(81373914，81573521)

] 馬小軍，研究員，研究方向：分子生物學(xué)研究；E-mail：mayixuan10@163.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.1.028

2016-04-13)

*[