人參UGT基因家族功能研究進展

王海嬌，李宇興，佟愛仔，劉 偉，胡勇軍*

（1.長春師范大學，長春 130032；2.通化師范學院，通化 134002）

人參（Panax ginseng）是五加科人參屬的多年生早本植物，是一種被廣泛應用的傳統(tǒng)中藥材，其主要藥理活性成分是人參體內的三萜類化合物人參皂苷[1-3]。目前已經證實人參皂苷的生物合成分為上、下游合成途徑，且上游合成途徑已經確定，包括MVA途徑和MEP途徑，其中以MVA途徑為主[2,4,5]。下游合成途徑一般包括環(huán)化、羥基化和糖基化過程[2,5-7]。糖基化是可產生天然化合物的植物體內存在的一種重要修飾反應，糖基轉移酶是一類可以催化糖基化反應的酶家族，即將糖基從活化的糖供體分子轉移到糖受體分子上[8-12]。在人參體內人參皂苷生物合成最后一步就是通過糖基化來完成的。

截止到2020年，糖基轉移酶已被發(fā)現(xiàn)有110個家族，其中GT1包含最多[11,13]，因此對GT1的研究最為廣泛。在人參中，因其都以活化尿苷二磷酸糖類作為糖基供體，因此被稱為UDP-糖基轉移酶（UDPglycosyltransferase），即UGT[2,12]。

人參皂苷作為一種具有良好藥理活性的化合物，搞清楚每種皂苷單體的合成機制，就可以使體外合成皂苷單體并提高皂苷單體合成量成為可能。作為催化人參皂苷合成最后一步糖基化反應的UGT，其具體催化機制大多尚不明確，因此對人參UGT的研究意義重大。本文結合前人的大量研究對糖基轉移酶包括UGT及UGT的功能進行概述，同時介紹了人參UGT基因家族功能到目前為止的研究進展?？蔀楹罄m(xù)對UGT基因家族的研究提供借鑒。

1 糖基轉移酶的概述

通過閱讀文獻發(fā)現(xiàn)，在2003年時，被發(fā)現(xiàn)的糖基轉移酶一共有65個家族[14]，到2018年時，被發(fā)現(xiàn)的糖基轉移酶共有99個家族[2]，而截止到2020年，被發(fā)現(xiàn)的糖基轉移酶已經有110個家族[13]。由此可知，人們對糖基轉移酶的研究從未停止，正因其家族的龐大，研究過程也就變得十分困難。

1.1 糖基轉移酶的分類

據(jù)研究表明，糖基轉移酶有4種分類形式。根據(jù)催化反應機理可分為催化型和保留型；根據(jù)糖基轉移酶蛋白質的立體空間結構不同可分為GT-A、GT-B、GT-C以及GT-D四種類型；根據(jù)糖基化位點可分為O-、N-、S-、C-等連接型，但大多是O-連接型；根據(jù)氨基酸的相似性來看，植物中糖基轉移酶家族1的氨基酸序列大部分在C端有一個比較保守的、由44個氨基酸殘基組成的PSPG盒，其功能可能是糖基轉移酶與UDP-糖供體識別和結合的位點[2]。

1.2 糖基轉移酶的生物學功能

目前，已知糖基轉移酶的生物學功能主要包括：a.調節(jié)植物激素平衡；b.參與植物體內的次級代謝反應；c.參與植物的生長發(fā)育；d.參與植物的脫毒反應；e.參與植物體內的信號轉導；f.參與植物的生物與非生物的脅迫反應等[2,9,15]。

UGT作為主要以UDP-糖為糖供體的糖基轉移酶同樣也具備上述生物學功能，但由于所催化化合物種類的復雜性及每種UGT對糖基供體分子和糖基受體分子嚴格專一性，導致不同植物中不同種類UGT的催化作用機制不同。有研究表明，有的UGT在以一種糖基供體為主的同時，能利用多種糖基供體分子，有的UGT也能催化形成多種糖基受體分子，這可能與受體分子結構有關[2,8]。本文通過查閱文獻總結了以下幾種植物中UGT的具體功能。

在模式生物擬南芥中一共發(fā)現(xiàn)138個UGT基因，其中107個具有編碼酶功能[7]，擬南芥UGT73C4基因參與擬南芥的抗病作用[9]，UGT76F1基因通過IPyA糖基化修飾參與光和溫度介導的植物下胚軸的生長[13]。

蒺藜苜蓿中發(fā)現(xiàn)UGT71G1可參與苜蓿酸常春藤皂苷元的糖基化修飾，UGT73K1可參與常春藤皂苷元和大豆皂醇B、E的糖基化修飾，UGT73F3可參與常春藤皂苷元和其它齊墩果烷型皂苷元C-28位羧基的糖基化修飾[16]。

王不留行中發(fā)現(xiàn)UGT74M1可參與齊墩果烷型皂苷元的C-28位糖基化修飾[16]。

大豆中發(fā)現(xiàn)UGT73P2可催化半乳糖基連接到葡糖醛酸化的大豆皂醇B上，UGT91H4可催化鼠李糖基連接到二糖基化的大豆皂醇Ⅲ的半乳糖基上，UGT73F4可催化木糖基連接到大豆A組皂苷C-22位的阿拉伯糖殘基上，UGT73F2可催化葡萄糖基連接到大豆A組皂苷C-22位的阿拉伯糖殘基上[16]。

2 人參UGT基因家族研究進展

2.1 人參皂苷合成途徑研究

人參皂苷與其他三萜皂苷的生物合成方式類似，首先經過胞質中的甲羥戊酸途徑(MVA)和位于質體的2-C-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸途徑(MEP)形成萜類前體異戊烯二磷酸(IPP)及其異構體二甲基烯丙基二磷酸(DMAPP)。IPP和DMAPP縮合生成牻牛兒基焦磷酸(GPP)，隨后與IPP生成法尼基焦磷酸(FPP)。2個FPP分子在鯊烯合酶(SQS)作用下產生內環(huán)化反應生成鯊烯，而鯊烯是三萜類化合物和相關衍生物的重要前體物質[17]。隨后，鯊烯經鯊烯環(huán)氧酶(SQE)[18]的氧化反應，達瑪烯二醇合酶(DS)[19]的環(huán)化反應和細胞色素P450單加氧酶[20,21]的羥化反應，分別形成四環(huán)三萜皂苷的重要中間產物2，3-氧化鯊烯、達瑪烯二醇(DM)、PPD及PPT[20-22]。PPD與PPT是形成人參皂苷的核心糖苷配基結構，在多種UGT糖基化作用下與葡萄糖、木糖、鼠李糖、阿拉伯糖基等單一或者混雜連接形成多種活性功能各異的人參皂苷[23]。

整個過程包括20多個連續(xù)酶促反應步驟，其中涉及一系列關鍵酶，如3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)、法尼基焦磷酸合成酶(FPS)、SQS、SQE、DS、原人參二醇合酶(PPDS)、(CYP716A47)、原人參三醇合酶(PPTS)、(CYP716A53)和UGT，具體過程見圖1，圖片來自[24]。

2.2 人參UGT基因功能研究現(xiàn)狀

目前，通過454EST分析檢測到人參中共含有235個UGT基因[25]。但其中大部分UGT基因的具體功能尚不明確，經查閱相關文獻了解到目前已鑒定出一部分基因功能。如下：人參PgUGT71A27可以催化PPD型人參皂苷糖基化生成化合物K[26]；人參PgUGT1具有較松弛的底物特異性，可修飾PPD型人參皂苷的合成，即催化人參皂苷Rg3的C-20位糖基化合成人參皂苷Rd[7,27]；人參PgUGTPg100和人參PgUGTPg101均能特異性催化PPT型人參皂苷的生物合成[27]，其中PgUGTPg100可同時催化PPT型人參皂苷的C-6位糖基化合成人參皂苷Rh1和人參皂苷F1到人參皂苷Rg1的生物合成，而PgUGTPg101可同時作用于PPT型人參皂苷的C-6和C-20位，產生人參皂苷F1，并通過順序糖基化作用產生人參皂苷Rg1[7,26]；人參PgUGT94Q2可催化葡萄糖部分從UDP-葡萄糖轉移到人參皂苷Rh2和F2的糖上，分別合成人參皂苷Rg3和Rd[7,16,26-28]；人參PgUGT74AE2可催化PPD型人參皂苷和化合物K C-3羥基位的糖基化，從而分別合成人參皂苷Rh2和F2[7,16,26-28]；人參UGTPg71A29可以催化人參皂苷Rh1的C-20位的糖基化作用形成人參皂苷Rg1，同時也可以催化人參皂苷Rd糖基化形成人參皂苷Rb1[27]。這些在人參中發(fā)揮重要催化作用的UGT有一個共同特點，即在C-末端有一段由44個氨基酸殘基組成的保守序列[7,12]，因此推測UGT基因發(fā)揮功能的片段很有可能是這個保守序列。已知功能人參UGT及其相關信息具體見表1。

表1 人參中已驗證功能的UGTTable 1 Ginseng to verify the function of UGT

綜上，在人參中，UGT對人參皂苷生物合成的催化作用對于PPD型人參皂苷主要作用在C-3和C-20位，對于PPT型人參皂苷主要作用在C-6和C-20位。這一結論可幫助我們在后續(xù)對候選基因功能的研究提供參考和思路，可根據(jù)對候選基因同源序列比對來預測其可能具有的功能。

3 討論與展望

糖基轉移酶修飾的糖基化過程普遍存在于能夠合成天然化合物的植物中，是植物中一種重要的修飾反應。對于人參來說，通過科研工作者多年的努力,人參皂苷生物合成途徑的解析已基本完成,但對于人參皂苷苷元的糖基化修飾研究還處于初始階段。而糖基轉移酶作為一種多基因家族酶,其龐大的種類數(shù)量、特異的序列及專一的選擇性都給我們研究人參皂苷苷元的糖基化修飾帶來了挑戰(zhàn)。不過，近年來,通過發(fā)展迅速的轉錄組測序技術及生物信息學分析,已經篩選出一些與人參皂苷合成相關的糖基轉移酶基因序列，但完成功能鑒定的糖基轉移酶數(shù)量卻極其有限。因此，我們可以預見,未來人們對人參糖基轉移酶基因及功能的研究將會不斷深入且意義重大。這一研究成果可以使未來在人參體外合成各種具有生物活性的人參皂苷成為可能。但此項工作的艱難程度可想而知，這需要科研工作者們共同努力完成。