人參皂苷生物合成相關(guān)的尿苷二磷酸依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶研究進(jìn)展

童 婧，楊德盈，張 倩，李志新，董子舒，劉紅寧*，黃 佳*

人參皂苷生物合成相關(guān)的尿苷二磷酸依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶研究進(jìn)展

童 婧1，楊德盈2#，張 倩1，李志新1，董子舒1，劉紅寧1*，黃 佳1*

1. 江西中醫(yī)藥大學(xué)高等研究院，中醫(yī)基礎(chǔ)理論分化發(fā)展研究中心，江西省中醫(yī)病因生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330004 2. 廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院，廣東 湛江 524001

人參皂苷是一類具有豐富藥理活性的重要天然產(chǎn)物，常見的類型包括達(dá)瑪烷型（protopanaxadiol type，PPD-type/proto-panaxatriol type，PPT-type）、齊墩果烷型（oleanane type，OA-type）和奧克悌隆型（ocotillol type，OCT-type），可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。尿苷二磷酸（Uridine diphosphate，UDP）依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶（UDP-glycosyltransferases，UGTs）是催化人參皂苷生成的關(guān)鍵酶，對人參皂苷結(jié)構(gòu)的形成及藥理作用的發(fā)揮具有重要意義。綜述了人參皂苷的分布、結(jié)構(gòu)多樣性和生物合成途徑，并基于幾種常見人參皂苷類型重點(diǎn)闡述了與糖基化反應(yīng)相關(guān)的UGTs，以期為人參皂苷生物合成相關(guān)研究提供參考。

糖基化；糖基轉(zhuǎn)移酶；人參皂苷；天然產(chǎn)物；達(dá)瑪烷型；齊墩果烷型；生物合成

人參屬植物屬于五加科多年生草本植物，包含8種（人參、西洋參、三七、假人參、姜狀三七、竹節(jié)參、屏邊三七和三小葉人參）和3變種（狹葉竹節(jié)參、珠子參和羽葉參），主要分布在東亞地區(qū)[1]。其中在中國，人參屬植物集中分布在東北三省，以吉林為重要產(chǎn)區(qū)，其產(chǎn)量約占全國85%，每年可達(dá)3萬t，產(chǎn)值高達(dá)600億元[2]。人參皂苷是人參屬植物的主要活性成分，屬于三萜類糖苷化合物。幾千年來，人參、西洋參及三七等一直作為傳統(tǒng)中藥材、食品和膳食補(bǔ)充劑而被廣泛使用[3]。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，人參皂苷具有抗炎、抗腫瘤、解熱鎮(zhèn)痛、增強(qiáng)免疫力和改善心血管等藥理活性[4]。除用于食品、醫(yī)藥和保健品外，人參皂苷作為底料來源還被廣泛應(yīng)用于化妝品生產(chǎn)[5]，而在農(nóng)業(yè)活動中，植物體內(nèi)的人參皂苷能夠吸引傳粉昆蟲輔助授粉或?qū)游镉芯苁匙饔肹6]。由于較高的藥理價值和廣泛的生物活性，人參皂苷在諸多應(yīng)用方面具有廣闊的商業(yè)前景。然而作為人參皂苷的主要來源，人參的野生資源逐漸匱乏，質(zhì)量也受連作障礙、病蟲害的影響逐漸下降[7]。同時，部分極具藥理活性的人參皂苷，如稀有人參皂苷Rg3、人參皂苷Rh2等，在植物中含量極低，難以滿足臨床應(yīng)用和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求[7]。近年來，隨著植物次生代謝途徑及其關(guān)鍵酶的研究不斷深入，采用合成生物學(xué)技術(shù)異源合成人參皂苷是一種環(huán)保高效的方法[8-11]。由尿苷二磷酸（Uridine diphosphate，UDP）依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶（UDP-glycosyltransferases，UGTs）介導(dǎo)的糖基化是人參皂苷生物合成途徑的最后一步，對人參皂苷的藥理活性和結(jié)構(gòu)多樣性具有重要作用[12]。因此，本文總結(jié)了參與人參皂苷生物合成相關(guān)的UGTs，為進(jìn)一步闡明人參皂苷生物合成途徑和合成生物學(xué)在人參皂苷生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 人參皂苷在植物中的分布和結(jié)構(gòu)多樣性

1.1 分布

截至目前，從11種人參屬植物中分離出約300種人參皂苷，僅在人參的根、葉、花和果實(shí)中就已發(fā)現(xiàn)了200余種[13-14]?，F(xiàn)常應(yīng)用高效液相色譜（HPLC）與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)檢測植物中人參皂苷化合物及轉(zhuǎn)錄組水平，以分析影響人參皂苷質(zhì)量和分布的因素。

1.1.1 人參皂苷的種類和含量與物種有關(guān) Yan等[15]基于HPLC特征圖譜比較人參屬藥材人參、西洋參和三七的成分及其含量，發(fā)現(xiàn)三者體內(nèi)含有許多共有成分，如人參皂苷Rg1、人參皂苷Re、人參皂苷Rb1、人參皂苷Rb2、人參皂苷Rb3、人參皂苷Rd等，但各單體成分含量存在差異。例如，人參皂苷Rg1、人參皂苷Re、人參皂苷Rd、人參皂苷Rb14個共有單體成分含量均以三七最高，西洋參次之，人參最少。除共有成分外，它們也各含特征成分，如人參含人參皂苷Rf，西洋參含擬人參皂苷F11，三七含三七皂苷R1、三七皂苷R2[16-19]。

1.1.2 人參皂苷的含量與栽培時間和生長環(huán)境有關(guān) Xie等[20]采用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜（UPLC-QTOF-MS）和多元統(tǒng)計分析技術(shù)，對不同參齡和生長環(huán)境的人參屬植物人參、三七、西洋參和高麗參進(jìn)行代謝譜分析，得到的UPLC-QTOF-MS光譜和數(shù)據(jù)反映植物質(zhì)量信息的同時，進(jìn)一步證明了人參皂苷可在同一植物物種內(nèi)因地理位置和栽培年齡不同而發(fā)生細(xì)微變化。

1.1.3 人參皂苷在人參中的積累和分布具有組織特異性且在人參根中的分布呈現(xiàn)異質(zhì)性 Zhang等[21]通過UPLC-二極管陣列檢測器（PDA）測定人參3個器官和4個組織中8種主要人參皂苷含量，發(fā)現(xiàn)葉片中皂苷積累最多，根莖次之，根中最少，但總體上隨栽培年限而增加，尤其在根中周皮內(nèi)皂苷含量是其他組織的2倍以上。

在一定程度上，不同品種、組織、栽培年齡和環(huán)境條件下的人參皂苷呈現(xiàn)出規(guī)律性分布。因此，了解不同物種、不同培養(yǎng)方式及不同部位人參皂苷的分布對尋找關(guān)鍵合成酶、闡明人參皂苷合成途徑和解析調(diào)控機(jī)制具有重要意義。

1.2 結(jié)構(gòu)多樣性

根據(jù)苷元不同，人參皂苷可分為達(dá)瑪烷型（dammarane type，DM-type）、齊墩果烷型（oleanolic acid type，OA-type）和奧克悌隆型（ocotillol type，OCT-type，圖1）。在自然界中齊墩果烷型和奧克悌隆型含量相對較少，齊墩果烷型主要為人參皂苷Ro（1），奧克悌隆型主要包括擬人參皂苷F11（2）和人參皂苷MR2（3）[22]。在生物體內(nèi)以達(dá)瑪烷型為主，按C3、C6、C20位上糖基位置、數(shù)量和類型的差異分為原人參二醇型（protopanaxadiol type，PPD-type）和原人參三醇型（protopanaxatriol type，PPT-type）。PPD型人參皂苷由UGTs催化PPD型人參皂苷元C3-、C20-OH糖基化而形成，包括人參皂苷Rb1（4）、Rd（5）、Rb2（6）、Rb3（7）等；PPT型人參皂苷則由UGTs催化PPT型人參皂苷元C6-、C20-OH糖基化而形成，包括人參皂苷Rg1（8）、人參皂苷Rf（9）、人參皂苷Re（10）、人參皂苷Rg2（11）、三七皂苷R1（12）、三七皂苷R2（13）等[23]。目前已鑒定的稀有人參皂苷（圖1）也基本屬于達(dá)瑪烷型人參皂苷，包括PPD型，如人參皂苷Rg3（14）、人參皂苷Rh2（15）、人參皂苷F2（16）、CK（17）、Gyp17（18）、Gyp75（19）；PPT型，如人參皂苷F1（20）、人參皂苷Rh1（21）。此外，還有一類結(jié)構(gòu)較為特殊的稀有人參皂苷—多雙鍵型稀有人參皂苷，主要包括人參皂苷Rg5（22）、人參皂苷Rh3（23）、人參皂苷Rh4（24）、人參皂苷Rk1（25）、人參皂苷Rk2（26）、人參皂苷Rk3（27）等，在一定程度上豐富了人參皂苷的化學(xué)結(jié)構(gòu)和藥理活性[11]。

A-PPD型人參皂苷，PPT型人參皂苷；B-含多雙鍵Ⅰ類稀有人參皂苷，含多雙鍵Ⅱ類稀有人參皂苷；C-齊墩果烷型人參皂苷，奧克悌隆型人參皂苷

2 人參皂苷生物合成途徑

人參皂苷與其他三萜類化合物生物合成途徑類似，均起始于異戊烯焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate，IPP）及其異構(gòu)體二甲基烯丙基焦磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）。IPP和DMAPP可由乙酰輔酶A經(jīng)胞質(zhì)中的甲羥戊酸途徑（mevalonate pathway，MVA）或丙酮酸和甘油醛3-磷酸經(jīng)質(zhì)體中的2--甲基--赤蘚糖醇-4-磷酸途徑（2--methyl--erythritol-4-phosphate，MEP）合成，人參皂苷的形成以MVA途徑為主。首先，2分子IPP和一分子DMAPP在法尼基焦磷酸合酶（farnesyl pyrophosphate synthase，F(xiàn)PPS）作用下合成法尼基焦磷酸（farnesyl diphosphate，F(xiàn)PP），然后2分子FPP在角鯊烯合酶（squalene synthase，SQS）作用下經(jīng)“頭尾縮合”形成角鯊烯（squalene，SQ），隨后在鯊烯環(huán)氧化酶（squalene epoxidase，SQE）作用下形成2,3-氧化鯊烯（2,3-oxidosqualene），再經(jīng)不同氧化角鯊烯環(huán)化酶（oxidosqualene cyclases，OSCs）進(jìn)一步催化得到不同的人參皂苷骨架。

在人參屬植物中，已鑒定出2種OSC參與人參皂苷生物合成：一為達(dá)瑪烯二醇合酶（dammarenediol synthase，DS），負(fù)責(zé)形成達(dá)瑪烷型骨架—達(dá)瑪烯二醇（dammarenediol，DM），隨后在原人參二醇合酶（PPDS，CYP716A47）作用下生成PPD，再經(jīng)原人參三醇合酶（PPTS，CYP716A54）催化形成PPT[24-25]；另一種為β-香樹素合酶（β-amyrin synthase，β-AS），負(fù)責(zé)形成齊墩果烷型骨架—β-香樹脂醇（β-amyrin），該骨架經(jīng)齊墩果酸合酶（oleanolic acid synthase，OAS）催化可形成齊墩果酸[26]。奧克悌隆型骨架則可經(jīng)2種途徑形成：由2,3-氧化鯊烯通過SQE催化環(huán)氧化生成的2,3,22,23-二氧化角鯊烯（2,3,22,23-dioxidosqualene，DOC），進(jìn)一步經(jīng)OSC、CYP450催化生成奧克悌隆型人參皂苷元或者由PPD在SQE、CYP的催化作用下生成[27-28]。

人參皂苷上游生物合成途徑已基本闡明，下游途徑則包括細(xì)胞色素P450酶（cytochromeP450，CYP450）催化羥基化生成人參皂苷元，UDP糖基轉(zhuǎn)移酶（UDP-glycosyltransferases，UGTs）進(jìn)一步催化糖基化形成多種人參皂苷[29-30]，見圖2。

3 人參皂苷生物合成相關(guān)UGTs

目前已分離鑒定得到的糖基轉(zhuǎn)移酶（glycosyltransferases，GTs）數(shù)量龐大，種類繁多，廣泛存在于有機(jī)體中。根據(jù)已收集的GTs氨基酸序列的一致性，碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫（CAZy，http://www.cazy.org/）將GTs分為116個家族，其中GT1是最大的一個家族，能以UDP-葡萄糖（UDP-glucose，UDP-Glc）、UDP-木糖（UDP-xylose，UDP-Xyl）、UDP-鼠李糖（UDP-rhamnose，UDP-Rha）、UDP-阿拉伯糖（UDP-arabinose，UDP-Ara）和葡萄糖醛酸（UDP-glucuronic acid，UDP-GlcA）等為糖供體，也被稱為UGTs。目前，UGT71、UGT73、UGT74、UGT85、UGT91和UGT94家族中多個UGTs已被鑒定具有催化合成人參皂苷的生物活性[31]。參與人參皂苷生物合成相關(guān)的UGTs見表1。已完成功能驗(yàn)證的UGTs主要集中在達(dá)瑪烷型人參皂苷，并且糖供體以UDP-葡萄糖為主，UDP-木糖、UDP-鼠李糖的研究相對較少，具有較大研究潛力。

G3P-油醛-3-磷酸；GPP-香葉基焦磷酸；IPP-異戊烯基焦磷酸；DMAPP-二甲基烯丙基焦磷酸；FPP-法尼基焦磷酸；SQS-鯊烯合酶；SQ-鯊烯；SQE-鯊烯環(huán)氧酶；2,3-氧化鯊烯；DS-達(dá)瑪烯二醇合酶；DM-達(dá)瑪烯二醇；PPDS-原人參二醇合酶；PPTS-原人參三醇合酶；UGTs-UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶；β-AS-β-香樹素合酶；OAS-齊墩果酸合酶；DOC-2,3,22,23-二氧化角鯊烯；CYP450-細(xì)胞色素P450酶。

表1 公共數(shù)據(jù)庫獲得的參與人參皂苷糖基化的UGTs

3.1 植物UGTs

3.1.1 達(dá)瑪烷型 達(dá)瑪烷型人參皂苷是五加科植物人參C. A. Mey.、西洋參L、三七(Burkill) F. H. Chen ex C. H. Chow和葫蘆科植物絞股藍(lán)(Thunb.) Makino的主要活性成分。目前已從人參屬植物中鑒定出數(shù)10種參與達(dá)瑪烷型人參皂苷生物合成的UGTs，主要集中在UGT71、UGT74和UGT94家族，見圖3。

圖3 植物UGTs催化達(dá)瑪烷型人參皂苷元的糖基化反應(yīng)

人參中已分離并鑒定的UGTs，催化人參皂苷的羥基發(fā)生糖基化時大多數(shù)表現(xiàn)出明顯的區(qū)域選擇性，但可以接受不同的底物作為糖受體。Jung等[32]對人參轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序和重新組裝，表征出具有明顯區(qū)域選擇性的糖基轉(zhuǎn)移酶PgUGT74AE2，只在C3-OH催化PPD和CK分別生成人參皂苷Rh2和F2。張婷婷等[33]發(fā)現(xiàn)PgUGT74AE2還能以PPT為底物，特異性地催化C3-OH發(fā)生糖基化，生成一種新型原人參三醇型皂苷3--β--吡喃葡萄糖-達(dá)瑪-24-烯-3β, 6α, 12β, 20()-三醇。Wang等[34]通過相關(guān)表達(dá)序列和cDNA數(shù)據(jù)庫克隆出UGTPg1（PgUGT71A53），該酶具有區(qū)域選擇性，僅催化人參皂苷的C20-OH發(fā)生糖基化。同時Yan等[35]發(fā)現(xiàn)UGTPg1能以PPD、Rh2、Rg3和PPT為底物，分別生成人參皂苷CK、F2、Rd和F1。與底物雜泛性不同，少數(shù)UGTs則具有受體特異性。Wang等[34]克隆出具有受體特異性的糖基轉(zhuǎn)移酶UGTPg45（PgUGT74AE4），僅能以PPD為底物，特異性地催化C3-OH發(fā)生糖基化，生成人參皂苷Rh2。此外，人參中氨基酸序列高度相似的UGTs，功能并不完全相同甚至基本不同。Lu等[36]發(fā)現(xiàn)PgUGT71A29與UGTPg1在氨基酸水平上高度相似，PgUGT71A29除了能催化人參皂苷Rh1的C20-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rg1外，還能催化人參皂苷Rd的C20--Glc發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rb1。Wei等[37]從人參中分離出2個與UGTPg1高度相似的UGTs：UGTPg100（PgUGT71A54）能催化PPT的C6-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rh1；UGTPg101（PgUGT71A55）除了催化PPD和PPT的C20-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷CK及F1外，還能進(jìn)一步催化F1的C6-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rg1。

上述UGTs主要催化單個糖基轉(zhuǎn)移至人參皂苷或苷元的羥基，但大多數(shù)人參皂苷會在同一羥基上經(jīng)連續(xù)糖基化反應(yīng)延長糖鏈。Jung等[32,38]發(fā)現(xiàn)PgUGT94Q2（UGTPg29）能進(jìn)一步在Rh2和F2的C3--Glc上進(jìn)行糖基化，分別生成人參皂苷Rg3和Rd，這是首個被鑒定出能夠催化人參皂苷糖鏈延伸的糖基轉(zhuǎn)移酶。除UGT94Q2外，Yang等[39]通過分析UGT94家族的多樣性，表征出一系列能在糖鏈上進(jìn)行糖基化生成多糖苷的UGT94Qs：PgUGT94Q15能催化人參皂苷Rh2的C3--Glc發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rg3；PgUGT94Q3能催化人參皂苷Rh1的C6--Glc和人參皂苷Rh2的C3--Glc發(fā)生糖基化，分別生成人參皂苷Rf、Rg3；PgUGT94Q6能催化人參皂苷Rh2的C3--Glc發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rg3，同時能催化人參皂苷Rd、CK的C20--Glc發(fā)生糖基化分別生成人參皂苷Rb1、絞股藍(lán)皂苷LXXV。除以葡萄糖作為糖供體外，Li等[40]從人參中鑒定出PgUGT94Q13能以鼠李糖為糖供體，在人參皂苷Rh1和人參皂苷Rg1的C6--Glc上進(jìn)行糖基化，分別生成人參皂苷Rg2和人參皂苷Re，從而解決了人參皂苷Rg2和人參皂苷Re完整的生物合成途徑。

西洋參的活性成分在生物合成過程中同樣涉及多種UGTs。Lu等[41-42]從西洋參中分離得到2個催化PPD型人參皂苷的UGTs：Pq3--UGT1能夠催化PPD的C3-OH發(fā)生糖基化，生成人參皂苷Rh2；Pq3-O-UGT2能夠在人參皂苷Rh2、F2的C3--Glc上進(jìn)行糖基化，生成人參皂苷Rg3、Rd。Feng等[43-44]通過克隆得到2個催化PPT型人參皂苷的UGTs：Pq-PPT-6,20--UGT1能催化PPT的C20-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷F1，又能進(jìn)一步催化F1的C6-OH生成人參皂苷Rg1；Pq-PPT-6--UGT能催化PPT的C6-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rh1。

三七中也含有豐富的人參皂苷，如人參皂苷Rf、Rg1、Rg2、Re、Rd、Rb1等，UGTs對這些皂苷起著重要的修飾作用。Yue等[45]從三七懸浮細(xì)胞中分離純化得到UGRdGT，該酶催化人參皂苷Rd的C20--Glc發(fā)生糖基化形成Rb1。Jiang等[46]從三七基因組中鑒定出5個參與人參皂苷生物合成的糖基轉(zhuǎn)移酶（PnUGT1-PnUGT5）：PnUGT1能催化PPD和PPT的C20-OH發(fā)生糖基化，分別生成人參皂苷CK、F1，與人參UGTPg100和UGTPg101功能一致；PnUGT3能催化PPT和F1的C6-OH發(fā)生糖基化，分別生成人參皂苷Rh1和人參皂苷Rg1，與人參中UGTPg1和UGTPg101功能一致；PnUGT5能催化PPD的C3-OH發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rh2，PnUGT2和PnUGT4則能進(jìn)一步催化人參皂苷Rh2的C3--Glc發(fā)生糖基化生成人參皂苷Rg3，與人參中UGTPg45和UGTPg29功能一致。除以葡萄糖為糖供體外，Hou等[47]還在三七中發(fā)現(xiàn)了以鼠李糖為糖供體的糖基轉(zhuǎn)移酶PnUGT94M1，能在人參皂苷Rh1、Rg1的C6--Glc上進(jìn)行糖基化，分別生成人參皂苷Re、人參皂苷Rg2，此前這2種人參皂苷完整的生物合成途徑僅在人參中得到解析，該酶的發(fā)現(xiàn)為人參皂苷的體外合成提供了新思路。此外，三七中部分糖基轉(zhuǎn)移酶表現(xiàn)出明顯的糖供體雜泛性。Li等[48]從人參和三七中獲得10個UGTs（PgUGT94Q12、PgUGT94Q13、PnUGT94Q14、PnUGT94Q27、PgUGT94Q10-V1、PgUGT94Q11-V1、PgUGT94Q11-V2、PnUGT94Q14-V1、PnUGT94Q14-V2、PnUGT94Q14-V3），均能以UDP-Xyl為糖供體催化人參皂苷Rg1和人參皂苷Rh1的C6--Glc發(fā)生糖基化分別生成三七皂苷NgR1和NgR2，同時能以UDP-Glc為糖供體生成人參皂苷20--Glc-Rf和Rf，其中以PgUGT94Q13效率較高。Li等[49]通過體外酶促反應(yīng)證實(shí)三七中UGTPn87能以UDP-Glc為糖供體在PPD的C3-、C20--Glc上進(jìn)行糖基化，同時還能以UDP-Xyl為糖供體。

絞股藍(lán)為葫蘆科植物，其主要活性成分為絞股藍(lán)皂苷，但大部分絞股藍(lán)皂苷與人參皂苷非常相似，Huang等[50]通過基因組共性分析和轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)絞股藍(lán)皂苷Ⅲ、Ⅳ、Ⅷ、Ⅻ分別與人參皂苷Rb1、Rb3、Rd、F2同源。不僅如此，絞股藍(lán)中人參皂苷的含量是人參的5倍且易培養(yǎng)，是個很好的替代資源，因此研究絞股藍(lán)中參與人參皂苷生物合成的UGTs具有重要意義。Rahimi等[51]從絞股藍(lán)中分離出GpUGT23，能夠催化人參皂苷CK、F2、Rd和F1的C20--Glc發(fā)生糖基化，分別生成絞股藍(lán)皂苷LXXV、XVII、人參皂苷Rb1和三七皂苷U。除上述已完成功能驗(yàn)證的UGTs外，絞股藍(lán)中大多數(shù)參與人參皂苷生物合成的UGTs仍未實(shí)現(xiàn)功能表征。Liang等[52]通過絞股藍(lán)轉(zhuǎn)錄組的雜交測序，推測出GpUGT35是絞股藍(lán)皂苷生物合成的主要候選酶，屬于UGT94家族，與PgUGT94Q2同源性高達(dá)50%。Zhang等[53]通過轉(zhuǎn)錄組和蛋白組初步推定UGT73B、UGT76B1、UGT74F2、UGT91C1和UGT91A1參與人參皂苷次生代謝，其中UGT74F2、UGT91A1和UGT91C1具有較高活性，但相關(guān)功能機(jī)制有待進(jìn)一步探討。

3.1.2 齊墩果烷型 齊墩果烷型人參皂苷屬于五環(huán)三萜類皂苷，以竹節(jié)參為代表，包括齊墩果酸、人參皂苷Ro及人參皂苷Ro合成途徑中的4種中間代謝物（金盞花皂苷E、齊墩果酸-28--葡萄糖苷、姜狀三七皂苷R1和竹節(jié)參皂Ⅳa）。

在齊墩果烷型人參皂苷生物合成途徑中，UGTs可催化人參皂苷元C3-OH和C28-COOH發(fā)生一步或連續(xù)多步糖基化反應(yīng)。Tang等[54]從竹節(jié)參和日本參中鑒定了4個編碼OAGT（、、和）的基因，均能對齊墩果酸的C3-OH進(jìn)行葡萄糖醛酸化生成金盞花皂苷E。Zhang等[55]在人參中發(fā)現(xiàn)2個UGTs：PgUGT8能催化齊墩果酸、金盞花皂苷E、人參皂苷R1的C28-COOH發(fā)生葡萄糖醛酸化，分別生成齊墩果酸-28--葡萄糖苷、竹節(jié)參皂苷Ⅳa和人參皂苷Ro；PgUGT18能夠催化金盞花皂苷E、竹節(jié)參皂Ⅳa的C3--Glc發(fā)生糖基化，分別生成人參皂苷R1和人參皂苷Ro。Meesapyodsuk等[56]在王不留行中發(fā)現(xiàn)與PgUGT8同源的糖基轉(zhuǎn)移酶UGT74M1能催化絲石竹酸的C28-COOH形成葡萄糖酯。Yang等[39]在人參中發(fā)現(xiàn)UGT94Q15、UGT94Q15-V1和UGT94Q22-V1均可在齊墩果酸 3--葡萄糖苷的C3--Glc上進(jìn)行糖基化，生成齊墩果酸3--二葡萄糖苷，其中UGT94Q15-V1還可催化金盞花皂苷E的C3--GlcA發(fā)生糖基化生成姜狀三七皂苷R1。Tang等[57]從竹節(jié)參中鑒定出2個參與齊墩果烷型人參皂苷生物合成的糖基轉(zhuǎn)移酶：PjmUGT1能催化金盞花皂苷E和姜狀三七皂苷R1的C28-COOH發(fā)生糖基化，分別生成竹節(jié)參皂苷Ⅳa和人參皂苷Ro；PjmUGT2能催化金盞花皂苷E和竹節(jié)參皂苷Ⅳa的C3--Glc發(fā)生糖基化，分別生成姜狀三七皂苷R1和人參皂苷Ro。Augustin等[58]從歐洲山芥的cDNA文庫中篩選得到BvUGT1，能催化齊墩果酸發(fā)生糖基化，隨后分離得到3個P型UGTs（UGT73C9、UGT73C10和UGT73C12）和2個G型UGTs（UGT73C11和UGT73C13）。其中UGT73C10和UGT73C11能作用于C3-OH且催化活性和特異性較高，催化產(chǎn)物中幾乎只有3-單葡萄糖苷；UGT73C12和UGT73C13能作用于C28-COOH但催化活性和特異性較低，催化產(chǎn)物可形成少量3,28-二葡萄糖苷，在一定條件下UGT73C13還可產(chǎn)生齊墩果酸三糖苷；UGT73C9則無催化活性。Erthmann等[59]從歐洲山芥中選擇相關(guān)基因異種表達(dá)后篩選得到6個UGT73Cs：UGT73C21、UGT73C22、UGT73C23、UGT73C25、UGT73C26和UGT73C27，其中UGT73C21、UGT73C26、UGT73C27僅能催化齊墩果酸C3-OH發(fā)生糖基化，而UGT73C22、UGT73C23、UGT73C25可作用于齊墩果酸C28-COOH。Ji等[60]從梅葉冬青轉(zhuǎn)錄組中克隆出UGT74AG5，能特異性地催化齊墩果酸C28-COOH發(fā)生糖基化，生成齊墩果酸28--葡萄糖苷，見圖4。

圖4 植物UGTs催化的齊墩果烷型和奧克梯隆型人參皂苷元的糖基化反應(yīng)

3.1.3 奧克悌隆型 奧克悌隆型是人參皂苷的一個亞型，由達(dá)瑪烷骨架和四氫呋喃環(huán)構(gòu)成，通常在C3和C6位形成糖苷，是一類較罕見的人參皂苷，根據(jù)其C20和C24位絕對構(gòu)型的不同可分為(20,24)-/ (20,24)-/(20,24)-/(20,24)-奧克悌隆型人參皂苷。與其他人參皂苷類型相比，奧克悌隆型人參皂苷集中分布在西洋參及金平人參中，包括PF11，RT2、RT4、RT5、Vina-ginsenoside R1（VR1）、VR2、VR5、VR6、Majonoside R1（MR1）、MR2和Yesanchinoside A、Yesanchinoside B、Yesanchinoside C[61]，但自然界中含量相對較低。目前主要通過半合成方法，氧化環(huán)合次級達(dá)瑪烷型人參皂苷得到奧克梯型人參皂苷，例如Wang等[62]將達(dá)瑪烷型人參皂苷Rg2、Rg3分別轉(zhuǎn)化為擬人參皂苷F11、GQ。此外，生物合成技術(shù)的發(fā)展為奧克悌隆型人參皂苷的異源合成提供了更簡便的可行思路。

然而，目前人們對奧克悌隆型人參皂苷生物合成糖基轉(zhuǎn)移酶知之甚少。Zhuang等[63]通過對金平人參轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序，推測并發(fā)現(xiàn)了4組基因：unigene0045236與三七中PnUGT1基因序列相同，unigene0071620與歐洲山芥中UGT73C11、UGT73C10基因序列高度同源，unigene0063740、unigene0063744與UGT74M1關(guān)系密切。近年來，Peng等[64]通過體外酶促反應(yīng)，從金平人參中確定了2類參與奧克悌隆型人參皂苷MR2生物合成的關(guān)鍵UGTs：PvfUGT1能催化20(),24()-擬人參皂苷元Ⅱ和20(),24()-擬人參皂苷元I的C6-OH發(fā)生糖基化，分別生成假人參皂苷RT4和RT5；PvfUGT2能以木糖為糖供體，特異性地在C6--Glc催化RT4和RT5生成20(),24()-MR2，見圖4。

此外，PvfUGT2與PgUGT94Q13、UGTPn12、UGTPn87具有高度同源性，但因關(guān)鍵氨基酸殘基的差異而表現(xiàn)出不同功能，相關(guān)催化機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3.2 動物UGTs

UGTs也普遍存在于動物體內(nèi)，在藥物解毒和藥物清除等方面發(fā)揮著重要作用[65-66]。Li等[67]通過重組同工酶分析，在人肝微粒體中發(fā)現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)PPD葡萄糖醛酸化的糖基轉(zhuǎn)移酶：UGT1A4能在C3-OH催化PPD生成PPD-3--β--葡萄糖醛酸苷，且活性最高，UGT1A3次之。Chen等[68]對絞股藍(lán)皂苷（與PPD結(jié)構(gòu)相似）進(jìn)行代謝分析，進(jìn)一步證明UGT1A4能催化C3-OH發(fā)生葡萄糖醛酸化（圖5）。目前動物來源的UGTs報道相對較少，且主要集中在葡萄糖醛酸化。

圖5 人源UGT催化的人參苷元糖基化反應(yīng)

3.3 微生物UGTs

除植物與動物外，近年來也不斷有研究報道細(xì)菌和真菌中含有新的UGTs，如枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、鼠李糖乳酸桿菌等。其中枯草芽孢桿菌主要負(fù)責(zé)人參皂苷的糖基化反應(yīng)：Luo等[69]從枯草芽孢桿菌CCTCC AB 2012913中克隆并鑒定出YjiC1，能催化人參皂苷Rh1的C3-OH發(fā)生糖基化，合成非天然人參皂苷3--β--吡喃葡萄糖-6--β--吡喃葡萄糖-20()-原人參三醇（3--β--Glc-6--β--Glc-PPT），這是首個從枯草芽孢桿菌中鑒定出來的糖基轉(zhuǎn)移酶。Liang等[70]從枯草芽孢桿菌CTCC 63501中克隆得到UGT109A1，除催化DM的C3-、C20-OH生成非天然人參皂苷3--β--吡喃葡萄糖-達(dá)瑪-24-烯-3β,20()-二醇（3β--Glc-DM）、3,20-di--β--吡喃葡萄糖-達(dá)瑪-24-烯-3β,20()-二醇（3β,20-二--Glc-DM）外，還能催化PPD/PPT的C3-、C12-OH發(fā)生糖基化生成3,12-二--β--吡喃葡萄糖-達(dá)瑪-24-烯-3β,12β,20()-三醇（3β,12β-二--Glc-PPD）和3,12-di--β--吡喃葡萄糖-達(dá)瑪-24-烯-3β,6,12β,20()-四醇（3β,12β-二--Glc-PPT）。這是首次在自然界中發(fā)現(xiàn)能夠催化人參皂苷C12-OH糖基化的UGTs。Zhang等[71]進(jìn)一步研究UGT109A1對PPT型人參皂苷Re、Rf、Rh1和R1的作用，發(fā)現(xiàn)在人參皂苷Re、R1的C12-OH上無糖基化產(chǎn)物，這或許與C20--Glc的阻礙有關(guān)，相關(guān)機(jī)制有待深入研究。Dai等[72-73]從枯草芽孢桿菌168中分離出與UGT109A1氨基酸序列相似度高達(dá)94.39%的糖基轉(zhuǎn)移酶Bs-YjiC，能催化PPD的C3-OH發(fā)生糖基化生成天然人參皂苷Rh2及催化PPD的C3-、C12-OH生成非天然人參皂苷F12；催化PPT的C6-OH發(fā)生糖基化生成天然人參皂苷Rh1，也能催化PPT的C3-、C6-和/或C12-OH生成4種非天然人參皂苷(3--β--Glc-PPT、3--β--Glc-6--β--Glc-PPT、3--β--Glc-12--β--Glc-PPT、3--β--Glc-6--β--Glc-12--β--Glc-PPT)。Hu等[74]還首次發(fā)現(xiàn)Bs-YjiC能選擇性地催化人參皂苷Rg3的C12-OH發(fā)生糖基化，生成非天然人參皂苷Rd12。與UGT109A1嚴(yán)格的糖供體特異性不同，Dai等[75]發(fā)現(xiàn)糖基轉(zhuǎn)移酶Bs-YjiC表現(xiàn)出糖供體雜泛性，能以UDP-葡萄糖、UDP-半乳糖（UDP-galacose，UDP-Gal）和UDP-葡萄糖醛酸為供體催化人參皂苷發(fā)生糖基化。除枯草芽孢桿菌外，Wang等[76]從鼠李糖乳酸桿菌中鑒定出糖基轉(zhuǎn)移酶LRGT，能連續(xù)催化人參皂苷Rh2的C3--Glc發(fā)生糖基化，生成2種新型人參皂苷：葡萄糖基人參皂苷Rh2，該分子式和相對分子質(zhì)量與人參皂苷Rg3相同，在人參皂苷Rh2的C3--Glc以C6-C1鍵連接單個葡萄糖基，是人參皂苷Rg3的異構(gòu)體（C2-C1）；二葡萄糖基人參皂苷Rh2則在人參皂苷Rh2的C3-OH以C6-C1鍵連接2個葡萄糖基。Zhuang等[77]在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)UGT51能催化PPD的C3-OH發(fā)生糖基化，生成人參皂苷Rh2（圖6）。內(nèi)生細(xì)菌與真菌內(nèi)不斷被發(fā)現(xiàn)與鑒定的UGTs，極大促進(jìn)了新型人參皂苷生物合成途徑的完善，為體外大規(guī)模合成新型人參皂苷提供了更多新的思路。

4 合成生物學(xué)在人參皂苷生產(chǎn)中的應(yīng)用

利用合成生物學(xué)技術(shù)高效生產(chǎn)人參皂苷的核心是對其生物合成途徑中的關(guān)鍵酶進(jìn)行挖掘。近年來，隨著催化人參皂苷生物合成的糖基轉(zhuǎn)移酶逐步被發(fā)現(xiàn)，基于合成生物學(xué)原理，設(shè)計和改造微生物，異源合成天然或非天然產(chǎn)物被認(rèn)為是較有潛力的替代方法。Zhou等[78]在合成PPD的酵母菌株中過表達(dá)和基因，生產(chǎn)出效價為7.0 mg/L的非天然人參皂苷3β,12β-二--Glc-PPT，并發(fā)現(xiàn)的K73A突變可顯著提高3β,12β-二--Glc-PPD產(chǎn)量。Wang等[79]通過體內(nèi)定向進(jìn)化提高了UGTPg45的受體特異性和催化活性，將其引入釀酒酵母細(xì)胞工廠中，相同PPD底盤細(xì)胞中人參皂苷Rh2的產(chǎn)量提高了70%。Li等[48]通過蛋白工程技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化了高產(chǎn)PPT的酵母菌株，能為異源生物合成途徑增加前體供應(yīng)，導(dǎo)入PgUGTA54基因后建立了生產(chǎn)人參皂苷Rg1、三七皂苷R1、三七皂苷R2的細(xì)胞工廠，得到的產(chǎn)物滴度分別為1.95、1.62、1.25 g/L。由此可見，以釀酒酵母、解脂耶氏酵母等為底盤細(xì)胞，引入UGT基因是酵母細(xì)胞工程生產(chǎn)人參皂苷的一種有效方法，具有反應(yīng)條件簡單溫和，催化效率和區(qū)域選擇性較高及成本相對較低等優(yōu)勢[80-81]。

圖6 原核生物UGTs催化的人參苷元糖基化反應(yīng)

不僅如此，隨著UGTs晶體結(jié)構(gòu)不斷被解析，相關(guān)功能的特異性和雜泛性已能從結(jié)構(gòu)生物學(xué)角度得到初步闡明。UGTs的N端和C端分別是識別受體底物和糖供體的2個Rossmann折疊。N端的保守基序（即UGTs的配體結(jié)合口袋）與UGTs識別底物、催化位點(diǎn)有關(guān)，例如UGT71、74和94家族的N端均含有一個保守基序以確保與特定底物結(jié)合，并且有研究表明替換或突變配體結(jié)合口袋的殘基及交換結(jié)構(gòu)域可以改善UGTs的催化性能及底特異性[3, 82]。C端的高度保守序列（PSPG基序）被認(rèn)為是激活糖結(jié)合的位點(diǎn)，其中第44位谷氨酰胺對葡萄糖具有一定偏好性，而半乳糖轉(zhuǎn)移酶活性則需要組氨酸[12, 83]。盡管單個殘基在識別糖供體時可能起著決定性作用，但通常需要多個氨基酸進(jìn)行識別，因此研究不同偏好的UGTs結(jié)構(gòu)有助于加深對糖供體特異性的了解。這都為UGTs提高特異性或催化活性以量產(chǎn)人參皂苷奠定理論基礎(chǔ)。

隨著人參皂苷的生物合成途徑被逐漸解析，關(guān)鍵UGTs的研究發(fā)現(xiàn)和功能表征越發(fā)深入，蛋白質(zhì)工程、合成生物學(xué)和代謝工程技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，微生物細(xì)胞工廠極有可能成為人參皂苷大規(guī)模生物合成的突破點(diǎn)。

5 結(jié)語與展望

糖基化在人參皂苷的生物合成過程中起著重要的修飾作用，能夠提高產(chǎn)物生物活性，豐富其結(jié)構(gòu)多樣性。UGTs的不斷發(fā)現(xiàn)及對其種類和功能的深入研究，可有效厘清各種類型人參皂苷的生源途徑。除用于生源途徑解析外，基于合成生物學(xué)技術(shù)，只需將糖基轉(zhuǎn)移酶基因?qū)氘愒吹妆P微生物中便可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)人參皂苷的從頭合成。目前基于基因測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析的迅速發(fā)展，已有相當(dāng)一部分UGTs實(shí)現(xiàn)功能表征，但UGTs數(shù)量龐大、種類繁多，已完成功能鑒定的糖基轉(zhuǎn)移酶與之相比極其有限，仍需發(fā)現(xiàn)新的UGTs來合成人參皂苷[84]。此外，在人參皂苷生物合成過程中，大多數(shù)UGTs可以催化不同底物發(fā)生糖基化，在微生物異源系統(tǒng)中設(shè)計合成人參皂苷時，提高UGTs的催化效率和特異性仍是關(guān)鍵。

目前，糖基化合物定性主要通過質(zhì)譜分析、核磁共振等方法對糖基化修飾的類型及位置展開分析，其中-糖苷最為常見，-糖苷次之，-和-糖苷較少，研究的關(guān)鍵在于盡可能全面地對大量未知代謝物進(jìn)行結(jié)構(gòu)闡明，提高質(zhì)譜檢測的靈敏度仍是優(yōu)化糖基化合物定性的可行方案之一。同時聯(lián)用非靶向代謝組學(xué)方法有助于對代謝物及植物次生代謝途徑進(jìn)行深入挖掘，從而高效助力合成生物學(xué)的發(fā)展。隨著基因組測序、代謝工程及合成生物學(xué)等技術(shù)不斷優(yōu)化，多種方法學(xué)的創(chuàng)新融合，不僅能更全面地解析UGTs的催化功能，而且在糖基化合物定性的準(zhǔn)確性等方面有較大提高[85]。同時人參皂苷生物合成途徑中UGTs活性的提升和底盤細(xì)胞的改造，有望進(jìn)一步提高微生物細(xì)胞工廠異源合成人參皂苷的效率和產(chǎn)量，使人參皂苷的工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

[1] 魯歧, 富力, 李向高. 人參屬植物分類學(xué)的研究進(jìn)展 [J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1992, 14(4): 107-111.

[2] Li X Y, Sun L W, Zhao D Q. Current status and problem-solving strategies for ginseng industry [J]., 2019, 25(12): 883-886.

[3] Hou M Q, Wang R F, Zhao S J,. Ginsenosides ingenus and their biosynthesis [J]., 2021, 11(7): 1813-1834.

[4] Valdés-González J A, Sánchez M, Moratilla-Rivera I,. Immunomodulatory, anti-inflammatory, and anti-cancer properties of ginseng: A pharmacological update [J]., 2023, 28(9): 3863.

[5] He N, Zhao S Q, He Y F,. Current status of research on ginseng cosmetics [J]., 2018, 16(4): 609-616.

[6] Gershenzon J, Dudareva N. The function of terpene natural products in the natural world [J]., 2007, 3(7): 408-414.

[7] 李銘瑩, 林霖, 王巖, 等. 人參皂苷抗腫瘤機(jī)制及其納米藥物遞送系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J]. 中草藥, 2024, 55(2): 688-696.

[8] Zhang J J, Su H, Zhang L,. Comprehensive characterization for ginsenosides biosynthesis in ginseng root by integration analysis of chemical and transcriptome [J]., 2017, 22(6): 889.

[9] Zhuravlev Y N, Koren O G, Reunova G D,.natural populations: Their past, current state and perspectives [J]., 2008, 29(9): 1127-1136.

[10] Tansakul P, Shibuya M, Kushiro T,. Dammarenediol-II synthase, the first dedicated enzyme for ginsenoside biosynthesis, in[J]., 2006, 580(22): 5143-5149.

[11] 李冰, 張傳波, 宋凱, 等. 生物合成稀有人參皂苷的研究進(jìn)展 [J]. 中國生物工程雜志, 2021, 41(6): 71-88.

[12] Zhou C, Gong T, Chen J J,. The glycosyltransferases involved in triterpenoid saponin biosynthesis: A review [J]., 2022, 38(3): 1004-1024.

[13] Chu L L, Huy N Q, Tung N H. Microorganisms for ginsenosides biosynthesis: Recent progress, challenges, and perspectives [J]., 2023, 28(3): 1437.

[14] Yang W Z, Hu Y, Wu W Y,. Saponins in the genusL. (Araliaceae): A systematic review of their chemical diversity [J]., 2014, 106: 7-24.

[15] 嚴(yán)華, 張慧秀, 白宗利, 等. 基于特征圖譜的人參屬藥材西洋參、人參、三七的比較 [J]. 世界中醫(yī)藥, 2021, 16(6): 887-895.

[16] 劉洋. 西洋參質(zhì)量等級標(biāo)準(zhǔn)研究 [D]. 吉林: 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2019.

[17] 劉永利, 雷蓉, 王曉蕾, 等. 基于中藥質(zhì)量標(biāo)志物的人參、西洋參、三七及相關(guān)中成藥質(zhì)量控制方法研究 [J]. 中國藥學(xué)雜志, 2019, 54(17): 1402-1410.

[18] 莫秀麗, 任紅紅, 高晴晴, 等. 不同干燥方式對人參果漿中稀有皂苷生成的影響[J]. 中草藥, 2023, 54(24): 8200-8205.

[19] 趙立春. 人參化學(xué)成分的提取及測試方法的優(yōu)化研究 [D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2019.

[20] Xie G X, Plumb R, Su M M,. Ultra-performance LC/TOF MS analysis of medicinalherbs for metabolomic research [J]., 2008, 31(6/7): 1015-1026.

[21] Zhang Y C, Li G, Jiang C,. Tissue-specific distribution of ginsenosides in different aged ginseng and antioxidant activity of ginseng leaf [J]., 2014, 19(11): 17381-17399.

[22] Kim Y J, Zhang D B, Yang D C. Biosynthesis and biotechnological production of ginsenosides [J]., 2015, 33(6 Pt 1): 717-735.

[23] 張浩然, 葉安琪, 張躍偉, 等. 人參皂苷衍生化及生物活性研究進(jìn)展[J]. 中草藥, 2022, 53(14): 4554-4567.

[24] Han J Y, Kim H J, Kwon Y S,. The Cyt P450 enzyme CYP716A47 catalyzes the formation of protopanaxadiol from dammarenediol-II during ginsenoside biosynthesis in[J]., 2011, 52(12): 2062-2073.

[25] Han J Y, Hwang H S, Choi S W,. Cytochrome P450 CYP716A53v2 catalyzes the formation of protopanaxatriol from protopanaxadiol during ginsenoside biosynthesis in[J]., 2012, 53(9): 1535-1545.

[26] Han J Y, Kim M J, Ban Y W,. The involvement of β-amyrin 28-oxidase (CYP716A52v2) in oleanane-type ginsenoside biosynthesis in[J]., 2013, 54(12): 2034-2046.

[27] Christensen L P. Ginsenosides chemistry, biosynthesis, analysis, and potential health effects [J]., 2009, 55: 1-99.

[28] Shan H, Segura M J, Wilson W K,. Enzymatic cyclization of dioxidosqualene to heterocyclic triterpenes [J]., 2005, 127(51): 18008-18009.

[29] Kim Y J, Zhang D B, Yang D C. Biosynthesis and biotechnological production of ginsenosides [J]., 2015, 33(6 Pt 1): 717-735.

[30] Augustin J M, Kuzina V, Andersen S B,. Molecular activities, biosynthesis and evolution of triterpenoid saponins [J]., 2011, 72(6): 435-457.

[31] Khorolragchaa A, Kim Y J, Rahimi S,. Grouping and characterization of putative glycosyltransferase genes fromMeyer [J]., 2014, 536(1): 186-192.

[32] Jung S C, Kim W, Park S C,. Two ginseng UDP-glycosyltransferases synthesize ginsenoside Rg3 and rd [J]., 2014, 55(12): 2177-2188.

[33] 張婷婷, 梁會超, 鞏婷, 等. 人參糖基轉(zhuǎn)移酶PgUGT74AE2催化生成新型人參三醇皂苷研究 [J]. 藥學(xué)學(xué)報, 2018, 53(9): 1565-1570.

[34] Wang P P, Wei Y J, Fan Y,. Production of bioactive ginsenosides Rh2 and Rg3 by metabolically engineered yeasts [J]., 2015, 29: 97-105.

[35] Yan X, Fan Y, Wei W,. Production of bioactive ginsenoside compound K in metabolically engineered yeast [J]., 2014, 24(6): 770-773.

[36] 盧駿. 甘草和人參不定根代謝調(diào)控及糖基轉(zhuǎn)移酶UGT71A29的功能研究 [D]. 天津: 天津大學(xué), 2019.

[37] Wei W, Wang P P, Wei Y J,. CharacterizationofUDP-glycosyltransferases catalyzing protopanaxatriol and biosyntheses of bioactive ginsenosides F1 and Rh1in metabolically engineered yeasts [J]., 2015, 8(9): 1412-1424.

[38] Jung S C, Kim W, Park S C,. Two ginseng UDP-glycosyltransferases synthesize ginsenoside Rg3and rd [J]., 2014, 55(12): 2177-2188.

[39] Yang C S, Li C J, Wei W,. The unprecedented diversity of UGT94-family UDP-glycosyltransferases inplants and their contribution to ginsenoside biosynthesis [J]., 2020, 10(1): 15394.

[40] Li C J, Yan X, Xu Z Z,. Pathway elucidation of bioactive rhamnosylated ginsenosides inand theirhigh-level production by engineered[J]., 2022, 5(1): 775.

[41] Lu C, Zhao S J, Wang X S. Functional regulation of a UDP-glucosyltransferase gene (Pq3-O-UGT1) by RNA interference and overexpression in[J]., 2017, 129(3): 445-456.

[42] Lu C, Zhao S J, Wei G N,. Functional regulation of ginsenoside biosynthesis by RNA interferences of a UDP-glycosyltransferase gene inand[J]., 2017, 111: 67-76.

[43] Feng P C, Li G X, Wang X S,. Identification and RNAi-based gene silencing of a novel UDP-glycosyltransferase from[J]., 2021, 144(3): 567-576.

[44] 馮鵬程. 西洋參Pq-PPT-6, 20--UGT和Pq-PPT-6--UGT糖基轉(zhuǎn)移酶基因的克隆與功能分析 [D]. 長春: 吉林大學(xué), 2019.

[45] Yue C J, Zhong J J. Purification and characterization of UDPG: Ginsenoside Rd glucosyltransferase from suspended cells of[J]., 2005, 40(12): 3742-3748.

[46] Jiang Z Q, Tu L C, Yang W F,. The chromosome-level reference genome assembly forand insights into ginsenoside biosynthesis [J]., 2021, 2(1): 100113.

[47] Hou M Q, Nie F, Zhao J N,. New glycosyltransferases inperfect main ginsenosides biosynthetic pathways [J]., 2023, 71(1): 963-973.

[48] Li X D, Wang Y M, Fan Z J,. High-level sustainable production of the characteristic protopanaxatriol-type saponins fromspecies in engineered[J]., 2021, 66: 87-97.

[49] Li Y T, Li J X, Diao M X,. Characterization of a group of UDP-glycosyltransferases involved in the biosynthesis of triterpenoid saponins of[J]., 2022, 11(2): 770-779.

[50] Huang D, Ming R H, Xu S Q,. Chromosome-level genome assembly ofprovides insights into gypenoside biosynthesis [J]., 2021, 28(5): dsab018.

[51] Rahimi S, Kim J, Mijakovic I,. Triterpenoid-biosynthetic UDP-glycosyltransferases from plants [J]., 2019, 37(7): 107394.

[52] Liang T T, Zou L Q, Sun S J,. Hybrid sequencing of thetranscriptome provides new insights into gypenoside biosynthesis [J]., 2019, 20(1): 632.

[53] Zhang Y M, Chen Q C, Huang Y H,. Gene excavation and expression analysis of CYP and UGT related to the post modifying stage of gypenoside biosynthesis in(Thunb.) Makino by comprehensive analysis of RNA and proteome sequencing [J]., 2021, 16(12): e0260027.

[54] Tang Q Y, Chen G, Song W L,. Transcriptome analysis ofidentifies genes encoding oleanolic acid glucuronosyltransferase involved in the biosynthesis of oleanane-type ginsenosides [J]., 2019, 249(2): 393-406.

[55] Zhang H, Hua X, Zheng D R,.biosynthesis of oleanane-type ginsenosides inusing two types of glycosyltransferases from[J]., 2022, 70(7): 2231-2240.

[56] Meesapyodsuk D, Balsevich J, Reed D W,. Saponin biosynthesis incDNAs encoding beta-amyrin synthase and a triterpene carboxylic acid glucosyltransferase [J]., 2007, 143(2): 959-969.

[57] Tang J R, Chen G, Lu Y C,. Identification of two UDP-glycosyltransferases involved in the main oleanane-type ginsenosides invar.[J]., 2021, 253(5): 91.

[58] Augustin J M, Drok S, Shinoda T,. UDP-glycosyltransferases from the UGT73C subfamily incatalyze sapogenin 3--glucosylation in saponin-mediated insect resistance [J]., 2012, 160(4): 1881-1895.

[59] Erthmann P ?, Agerbirk N, Bak S. A tandem array of UDP-glycosyltransferases from the UGT73C subfamily glycosylate sapogenins, forming a spectrum of mono- and bisdesmosidic saponins [J]., 2018, 97(1/2): 37-55.

[60] Ji X Y, Lin S M, Chen Y Y,. Identification of α-amyrin 28-carboxylase and glycosyltransferase fromand production of ursolic acid 28--β--glucopyranoside in engineered yeast [J]., 2020, 11: 612.

[61] Liu J, Xu Y R, Yang J J,. Discovery, semisynthesis, biological activities, and metabolism of ocotillol-type saponins [J]., 2017, 41(3): 373-378.

[62] Wang J R, Yau L F, Zhang R,. Transformation of ginsenosides from notoginseng by artificial gastric juice can increase cytotoxicity toward cancer cells [J]., 2014, 62(12): 2558-2573.

[63] Zhang G H, Ma C H, Zhang J J,. Transcriptome analysis ofvar.discovers putative ocotillol-type ginsenosides biosynthesis genes and genetic markers [J]., 2015, 16(1): 159.

[64] Peng S F, Li X B, Jiang W W,. Identification of two key UDP-glycosyltransferases responsible for the ocotillol-type ginsenoside majonside-R2 biosynthesis invar. fuscidiscus [J]., 2023, 257(6): 119.

[65] Lee H, Heo J K, Lee G H,. Ginsenoside rc is a new selective UGT1A9 inhibitor in human liver microsomes and recombinant human UGT isoforms [J]., 2019, 47(12): 1372-1379.

[66] Oda S, Fukami T, Yokoi T,. A comprehensive review of UDP-glucuronosyltransferase and esterases for drug development [J]., 2015, 30(1): 30-51.

[67] Li J, He C Y, Fang L X,. Identification of human UDP-glucuronosyltransferase 1A4 as the major isozyme responsible for the glucuronidation of 20(S)-protopanaxadiol in human liver microsomes [J]., 2016, 17(3): 205.

[68] Chen J, Qin L, Wu X D,. Identification of human UDP-glucuronosyltransferase involved in gypensapogenin C glucuronidation and species differences [J]., 2023, 24(2): 1454.

[69] Luo S L, Dang L Z, Zhang K Q,. Cloning and heterologous expression of UDP-glycosyltransferase genes fromand its application in the glycosylation of ginsenoside Rh1[J]., 2015, 60(1): 72-78.

[70] Liang H C, Hu Z F, Zhang T T,. Production of a bioactive unnatural ginsenoside by metabolically engineered yeasts based on a new UDP-glycosyltransferase from[J]., 2017, 44: 60-69.

[71] Zhang T T, Gong T, Hu Z F,. Enzymatic synthesis of unnatural ginsenosides using a promiscuous UDP-glucosyltransferase from[J]., 2018, 23(11): 2797.

[72] Dai L H, Li J, Yao P Y,. Exploiting the aglycon promiscuity of glycosyltransferase Bs-YjiC fromand its application in synthesis of glycosides [J]., 2017, 248: 69-76.

[73] Dai L H, Liu C, Li J,. One-pot synthesis of ginsenoside Rh2 and bioactive unnatural ginsenoside by coupling promiscuous glycosyltransferase from168 to sucrose synthase [J]., 2018, 66(11): 2830-2837.

[74] Hu Y M, Li H, Qu Y Y,. Biocatalytic synthesis of a novel bioactive ginsenoside using UDP-glycosyltransferase from168 [J]., 2020, 10(3): 289.

[75] Dai L H, Qin L J, Hu Y M,. Structural dissection of unnatural ginsenoside-biosynthetic UDP-glycosyl- transferase Bs-YjiC fromfor substrate promiscuity [J]., 2021, 534: 73-78.

[76] Wang D D, Kim Y J, Baek N I,. Glycosyltransformation of ginsenoside Rh2 into two novel ginsenosides using recombinant glycosyltransferase fromand itsapplications [J]., 2021, 45(1): 48-57.

[77] Zhuang Y, Yang G Y, Chen X H,. Biosynthesis of plant-derived ginsenoside Rh2 in yeast via repurposing a key promiscuous microbial enzyme [J]., 2017, 42: 25-32.

[78] Zhou C, Gong T, Chen J J,. Production of a novel protopanaxatriol-type ginsenoside by yeast cell factories [J]., 2023, 10(4): 463.

[79] Wang P P, Wei W, Ye W,. Synthesizing ginsenoside Rh2 incell factory at high-efficiency [J]., 2019, 5: 5.

[80] 畢慧萍, 劉曉楠, 李清艷, 等. 植物天然產(chǎn)物微生物重組合成研究進(jìn)展 [J]. 生物工程學(xué)報, 2022, 38(11): 4263-4282.

[81] Geraldi A. Advances in the production of minor ginsenosides using microorganisms and their enzymes [J]., 2020, 1(1): 15-24.

[82] Wang D D, Liu M Z, Shen Y Q,. Research progress in understanding the structure, mechanism, and engineering of plant glycosyltransferases [J]., 2019, 49(9): 1133-1142.

[83] Rahimi S, Kim J, Mijakovic I,. Triterpenoid-biosynthetic UDP-glycosyltransferases from plants [J]., 2019, 37(7): 107394.

[84] 王海嬌, 李宇興, 佟愛仔, 等. 人參UGT基因家族功能研究進(jìn)展 [J]. 人參研究, 2022, 34(2): 54-57.

[85] Wu J, Zhu W, Shan X,. Glycoside-specific metabolomics combined with precursor isotopic labeling for characterizing plant glycosyltransferases [J]., 2022, 15(10): 1517-1532.

Uridine diphosphate-dependent glycosyltransferase related to ginsenoside biosynthesis

TONG Jing1, YANG Deying2, ZHANG Qian1, LI Zhixin1, DONG Zishu1, LIU Hongning1, HUANG Jia1

1. Research Center for Differentiation and Development of TCM Basic Theory, Jiangxi Province Key Laboratory of TCM Etiopathogenisis, Institute for Advanced Study,Jiangxi University of Chinese Medicine, Nanchang 330004 China 2. Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Zhanjiang 524001 China

Ginsenosides are a class of important natural products with rich pharmacological activities, including dammarane type (protopanaxadiol type, PPD-type/proto-panaxatriol type, PPT-type), oleanane type (OA-type) and ocotillol type (OCT-type), which can be widely used in the fields of medicine, agriculture and industrial production. Uridine diphosphate (UDP)- dependent glycosyltransferases (UGTs) are the key enzymes that catalyze the production of ginsenosides, and play an important role in their chemical structure formations and pharmacological functions. This review summarized the distributions, structural diversities and biosynthesis pathways of ginsenosides. In addition, according to the types of several common ginsenosides, we emphasized the UGTs related to glycosylation reactions to provide reference for ginsenoside biosynthesis.

glycosylation; glycosyltransferase; ginsenosides; natural products; dammarane type; oleanane type; biosynthesis

R286.2

A

0253 - 2670(2024)09 - 3202 - 15

10.7501/j.issn.0253-2670.2024.09.033

2023-10-02

江西省教育廳科技計劃青年項(xiàng)目（GJJ2200973）；江西中醫(yī)藥大學(xué)博士科研啟動基金課題（2022BSZR001）；江西省衛(wèi)生健康委員會科技計劃項(xiàng)目（202311138）

童 婧，本科生，研究方向?yàn)橹兴幓钚蕴烊划a(chǎn)物生物合成。E-mail: 2644533042@qq.com

楊德盈，中藥學(xué)博士，研究方向?yàn)樗幬锘瘜W(xué)。E-mail: yangdeying987@163.com

通信作者：劉紅寧，教授，從事中藥藥劑學(xué)研究。E-mail: 19820002@jxutcm.edu.cn

黃 佳，講師，從事中藥活性天然產(chǎn)物生物合成研究。E-mail: novelleo@163.com

[責(zé)任編輯 時圣明]