青蒿素生物合成分子机制及调控研究进展(1)
[摘要]以青蒿素为基础的联合用药是疟疾特别是恶性疟现有的首选、最佳疗法，青蒿素类药物需求巨大。青蒿素原料药依旧主要依赖于从药用植物黄花蒿(中药青蒿)提取、分离、纯化，但其在黄花蒿中的含量较低，且含量变异大。黄花蒿分泌型腺毛是合成、分泌、积累及储存青蒿素的场所，腺毛的正常发育直接关系到青蒿素的产量。提高青蒿素产量、降低生产成本有重大意义，也是当前国际研究热点。该文介绍了青蒿素体内生物合成的分子机制和代谢调控，以及青蒿素合成器腺毛的研究进展，这些将为开拓新的方法来提高植物来源青蒿素的产量提供帮助。
[关键词]青蒿素； 黄花蒿； 腺毛； 分子机制； 遗传调控
疟疾流行于97个国家和地区，威胁着32亿人口的健康。据世界卫生组织最新统计，2015年约有214亿人感染疟疾，并有约438万人死于疟疾[1]。以青蒿素为基础的联合用药(artemisininbased combination therapies，ACTs)是治疗疟疾特别是恶性疟现有的首选、最佳方法[12]。屠呦呦先生也因其在青蒿素的发现及青蒿素在疟疾治疗方面的巨大贡献获得了2015年的诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素是一种含过氧桥基团结构的倍半萜内酯类化合物，其每年需求量巨大，但是供应量却相对紧缺[3]，这直接导致了ACTs制剂成本的增加。此外，青蒿素及其衍生物的药理作用还表现在抗肿瘤、抗寄生虫、抗纤维化、抗心律失常、免疫等多方面[45]，随着青蒿素及其衍生物应用的开发，其需求将进一步增大。
, http://www.100md.com
青蒿素来源于菊科蒿属药用植物黄花蒿Artemisia annua L，其干燥地上部分被称为中药青蒿[67]。黄花蒿是青蒿素的唯一天然来源，但是其含量却相对较低，只占干重的01%～08%[89]。如何提高青蒿素产量，降低生产成本，是当前國内外黄花蒿育种研究的热点。已有许多科学家正在尝试用不同的方法来增加青蒿素的产量，合成生物学及化学合成在青蒿素生物半合成上取得了较大进展[10]。由于酵母无法像黄花蒿腺毛一样*****合成所需的特殊油性氧化环境，所以目前还无法实现青蒿素的体外生物全合成，因此目前青蒿素的市场供应仍然依赖于植物提取[10]。未来青蒿素的市场可能是植物来源和生物半合成的协调平衡[11]。
为了提高青蒿素产量，在青蒿素生物合成途径代谢酶的调控方面已有较多研究。在黄花蒿中过表达青蒿素生物合成的关键酶基因或抑制与青蒿素生物合成竞争相同底物的酶基因的表达，通过转录因子或植物激素来直接或间接地提高青蒿素的含量[1213]。这些方法都在一定程度上提高了黄花蒿中青蒿素的含量[12]，如果要进一步提高青蒿素的产量，还需开发新的方法。前期研究表明，青蒿素在黄花蒿地上部分表面的一种突起结构——腺毛中合成、积累和分泌[1415]。作为青蒿素生物合成的“化学工厂”，调控腺毛发育有可能实现青蒿素含量大幅提高。
, 百拇医药
1青蒿素合成于黄花蒿腺毛
腺毛是毛状体(trichome)的一种，毛状体是许多植物叶片和其他器官表面的小突起结构，它们的最大特征就是能够合成，储存，有时候还能分泌大量特定的代谢产物[16]，包含多种类型的萜烯，苯丙烷衍生物，酰基糖，甲基酮和类黄酮。许多毛状体产生的化合物具有重要的医药，香料，食品添加剂，天然杀虫剂等商业价值。近年来将腺毛开发成“化学工厂”来生产高价值的植物产物引起了植物生物技术专家的关注[17]。
腺毛通过表皮细胞分化而形成，以各种各样的形态结构存在于不同植物表面[18]。腺毛形态的多样性不仅因物种不同而异，同一物种、同一株植物中腺毛的形态也会表现出多样性。通常来说，腺毛可以根据形态和功能被分为分泌型腺毛和非分泌型腺毛两大类。分泌型腺毛具有多个细胞，能合成、分泌和贮存多种植物次生代谢产物，并广泛分布在唇形科植物如薄荷[19]，茄科植物如番茄[20]，菊科植物如黄花蒿[18]和大麻科植物如大麻[21]中。非分泌型腺毛基本为单细胞，主要作为物理防御器官。有些也能合成次生代谢产物，如三萜类物质[22]。非分泌型腺毛广泛分布在锦葵科植物如棉花[23]和十字花科植物如拟南芥[24]中。
, 百拇医药
腺毛是植物对抗外界胁迫的第一道屏障，可以保护植物本身免受外界昆虫、细菌、紫外辐射以及干旱等的影响[25]。特别是分泌型腺毛，可以通过释放一些对昆虫和动物有害的化学物质(通常为一些次生代谢产物)，从而阻挡它们对植物体的进一步侵害。此外，青蒿素和一些其他生物活性物质对植物本身有很高的毒性[26]，所以将其扣留在或者分泌出合成部位就显得非常重要。腺毛的表皮下空间很可能就是黄花蒿扣留青蒿素和其他植物毒性物质的场所[14]。
与自然界中腺毛的分类相同，黄花蒿中腺毛也可以分为2类，即分泌型腺毛(AaGSTs)(图1绿色箭头)和非分泌型腺毛(又称T型腺毛，AaTNGs)(图1蓝色箭头)。它们都起源于表皮细胞[14，27]。其中AaGSTs 由2列5对、10个细胞组成，包含2个基细胞(basal cells，Ba)，2个柄细胞(stalk cells，St)，4个下顶细胞(subapical cells，Suc)和2个顶细胞(apical cells，Ac)，以及1个皮下腔空间(subcuticular space，SS)(图1)。2个顶细胞和4个下顶细胞又称为分泌细胞[14]。AaTNGs 由5个纤维状细胞组成，头部还有1个特别细长的细胞，最终形成一个类似于英文字母大写“T”的结构[28]。
叶细胞分化成腺毛细胞起始于最早的叶原基时期，当10个细胞形成后，6个分泌细胞的角质层从细胞壁分离形成1个2列的囊腔，并最终裂开释放内含物[14]。在整个发育时期，腺毛细胞都含有很少的液泡，分泌细胞含有较多的内质网，每一对细胞的质体都是不一样的[14]。在成熟期，顶细胞含有前质体和白色体，只有少量的类囊体。而下顶细胞含有大量的叶绿体，不具有淀粉粒。基细胞有前质体或者白色体，柄细胞有叶绿体[14]。, 百拇医药(谭何新 肖玲 周正张磊 陈万生)
[关键词]青蒿素； 黄花蒿； 腺毛； 分子机制； 遗传调控
疟疾流行于97个国家和地区，威胁着32亿人口的健康。据世界卫生组织最新统计，2015年约有214亿人感染疟疾，并有约438万人死于疟疾[1]。以青蒿素为基础的联合用药(artemisininbased combination therapies，ACTs)是治疗疟疾特别是恶性疟现有的首选、最佳方法[12]。屠呦呦先生也因其在青蒿素的发现及青蒿素在疟疾治疗方面的巨大贡献获得了2015年的诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素是一种含过氧桥基团结构的倍半萜内酯类化合物，其每年需求量巨大，但是供应量却相对紧缺[3]，这直接导致了ACTs制剂成本的增加。此外，青蒿素及其衍生物的药理作用还表现在抗肿瘤、抗寄生虫、抗纤维化、抗心律失常、免疫等多方面[45]，随着青蒿素及其衍生物应用的开发，其需求将进一步增大。
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青蒿素来源于菊科蒿属药用植物黄花蒿Artemisia annua L，其干燥地上部分被称为中药青蒿[67]。黄花蒿是青蒿素的唯一天然来源，但是其含量却相对较低，只占干重的01%～08%[89]。如何提高青蒿素产量，降低生产成本，是当前國内外黄花蒿育种研究的热点。已有许多科学家正在尝试用不同的方法来增加青蒿素的产量，合成生物学及化学合成在青蒿素生物半合成上取得了较大进展[10]。由于酵母无法像黄花蒿腺毛一样*****合成所需的特殊油性氧化环境，所以目前还无法实现青蒿素的体外生物全合成，因此目前青蒿素的市场供应仍然依赖于植物提取[10]。未来青蒿素的市场可能是植物来源和生物半合成的协调平衡[11]。
为了提高青蒿素产量，在青蒿素生物合成途径代谢酶的调控方面已有较多研究。在黄花蒿中过表达青蒿素生物合成的关键酶基因或抑制与青蒿素生物合成竞争相同底物的酶基因的表达，通过转录因子或植物激素来直接或间接地提高青蒿素的含量[1213]。这些方法都在一定程度上提高了黄花蒿中青蒿素的含量[12]，如果要进一步提高青蒿素的产量，还需开发新的方法。前期研究表明，青蒿素在黄花蒿地上部分表面的一种突起结构——腺毛中合成、积累和分泌[1415]。作为青蒿素生物合成的“化学工厂”，调控腺毛发育有可能实现青蒿素含量大幅提高。
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1青蒿素合成于黄花蒿腺毛
腺毛是毛状体(trichome)的一种，毛状体是许多植物叶片和其他器官表面的小突起结构，它们的最大特征就是能够合成，储存，有时候还能分泌大量特定的代谢产物[16]，包含多种类型的萜烯，苯丙烷衍生物，酰基糖，甲基酮和类黄酮。许多毛状体产生的化合物具有重要的医药，香料，食品添加剂，天然杀虫剂等商业价值。近年来将腺毛开发成“化学工厂”来生产高价值的植物产物引起了植物生物技术专家的关注[17]。
腺毛通过表皮细胞分化而形成，以各种各样的形态结构存在于不同植物表面[18]。腺毛形态的多样性不仅因物种不同而异，同一物种、同一株植物中腺毛的形态也会表现出多样性。通常来说，腺毛可以根据形态和功能被分为分泌型腺毛和非分泌型腺毛两大类。分泌型腺毛具有多个细胞，能合成、分泌和贮存多种植物次生代谢产物，并广泛分布在唇形科植物如薄荷[19]，茄科植物如番茄[20]，菊科植物如黄花蒿[18]和大麻科植物如大麻[21]中。非分泌型腺毛基本为单细胞，主要作为物理防御器官。有些也能合成次生代谢产物，如三萜类物质[22]。非分泌型腺毛广泛分布在锦葵科植物如棉花[23]和十字花科植物如拟南芥[24]中。
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腺毛是植物对抗外界胁迫的第一道屏障，可以保护植物本身免受外界昆虫、细菌、紫外辐射以及干旱等的影响[25]。特别是分泌型腺毛，可以通过释放一些对昆虫和动物有害的化学物质(通常为一些次生代谢产物)，从而阻挡它们对植物体的进一步侵害。此外，青蒿素和一些其他生物活性物质对植物本身有很高的毒性[26]，所以将其扣留在或者分泌出合成部位就显得非常重要。腺毛的表皮下空间很可能就是黄花蒿扣留青蒿素和其他植物毒性物质的场所[14]。
与自然界中腺毛的分类相同，黄花蒿中腺毛也可以分为2类，即分泌型腺毛(AaGSTs)(图1绿色箭头)和非分泌型腺毛(又称T型腺毛，AaTNGs)(图1蓝色箭头)。它们都起源于表皮细胞[14，27]。其中AaGSTs 由2列5对、10个细胞组成，包含2个基细胞(basal cells，Ba)，2个柄细胞(stalk cells，St)，4个下顶细胞(subapical cells，Suc)和2个顶细胞(apical cells，Ac)，以及1个皮下腔空间(subcuticular space，SS)(图1)。2个顶细胞和4个下顶细胞又称为分泌细胞[14]。AaTNGs 由5个纤维状细胞组成，头部还有1个特别细长的细胞，最终形成一个类似于英文字母大写“T”的结构[28]。
叶细胞分化成腺毛细胞起始于最早的叶原基时期，当10个细胞形成后，6个分泌细胞的角质层从细胞壁分离形成1个2列的囊腔，并最终裂开释放内含物[14]。在整个发育时期，腺毛细胞都含有很少的液泡，分泌细胞含有较多的内质网，每一对细胞的质体都是不一样的[14]。在成熟期，顶细胞含有前质体和白色体，只有少量的类囊体。而下顶细胞含有大量的叶绿体，不具有淀粉粒。基细胞有前质体或者白色体，柄细胞有叶绿体[14]。, 百拇医药(谭何新 肖玲 周正张磊 陈万生)