紫草宁生物合成途径中的代谢与调控

紫草宁生物合成途径中的代谢与调控

1.背景知识介绍

1.1 紫草及紫草宁

紫草（学名：Lithospermum erythrorhizon），为紫草科紫草属植物。又名山紫草、紫丹、紫草根，分布于日本、朝鲜以及中国大陆的辽宁、山西、湖南、甘肃、山东、湖北、广西、四川、陕西、贵州、江西、河北、河南等地，生长于海拔50米至2,500米的地区，多生长在山坡草地，目前尚未由人工引种栽培。紫草是一种重要的药用植物，其功效是凉血，活血，解毒透疹。用于血热毒盛，斑疹紫黑，麻疹不透，疮疡，湿疹，水火烫伤。紫草根部富含红色的萘醌类次生代谢产物——紫草宁及其衍生物。

紫草宁又称紫草素，英文名称：Shikalkin，英文别名：

5,8-Dihydroxy-2-(1-hydroxy-4-methylpent-3-enyl)naphthalene-1,4-dione，即5,8-二羟基-2-[(1R)-1-羟基-4-甲基戊-3-烯基]萘-1,4-二酮，结构式如下：

紫草宁为赤褐色针状晶体(由苯重结晶)。熔点149℃。旋光度-167°±10°(在苯中)。能溶于普通有机溶剂，以及甘油动植物油脂和碱性水溶液。难溶于碳酸氢碱溶液。与氢氧化碱金属作用显蓝色。

由于紫草素具有多种生物学活性，以紫草素为先导化合物开发抗炎、抗肿瘤、抗病毒新药的研究已成为热点课题，除此之外，紫草素还是良好的天然色素，已广泛用于食品、化妆品和印染工业中。

1.2紫草宁及其衍生物的药理作用

1.2.1 抗肿瘤活性

近年来，紫草次生代谢物的抗肿瘤活性倍受关注。紫草素能够抑制肝癌肿瘤细胞增殖[1]、诱导生殖系统肿瘤细胞凋亡[2]，并兼具调控机体免疫的功能。紫草素在体外一定浓度范围内能抑制人白血病Ｋ562细胞增殖，诱导其凋亡。甲基丙烯酰紫草素具有较好的体内外抗肿瘤作用，作用机制可能与诱导细胞凋亡和抑制NF-zB p50的活性有关[3]。乙酰紫草素可通过诱导细胞凋亡来抑制胃癌SGC-7901细胞在体内外的增殖[4]。

1.2.2 抗炎活性

紫草素能有效减轻由中波紫外线（UVB）引起的表皮角蛋白细胞炎症，起到保护皮肤的作用；还可以减弱小神经胶质细胞的炎症反应，达到保护神经系统的作用。

1.2.3 降胆固醇活性

研究发现，从硬紫草根部氯仿提取物中分离出的三种化合物—乙酰紫草素、异丁基紫草素和β-羟基异戊酰紫草素均具有抑制人类酰基辅酶Ａ-胆固醇酰基转移酶-1和人类酰基辅酶Ａ-胆固醇酰基转移酶-2的活性。酰基辅酶Ａ-胆固醇酰基转移酶是胆固醇生物合成途径的关键酶，乙酰紫草素、异丁基紫草素和β-羟基异戊酰紫草素通过抑制该酶的活性，从而达到降低胆固醇含量，防治动脉粥样化的目的。

紫草的药理作用除了上述内容之外，还有降血糖活性，抗生育、抗免疫缺陷、抗凝血、保肝护肝、抗前列腺素生物合成、抗菌及清除活性氧作用等。

1.3紫草及紫草宁的市场

紫草是我国传统中药材，多家中药饮片厂以紫草为主要原料研制开发生产了约500多种（规格）中成药、特药、新型中药，以及几十种中药饮片。这些产品投入市场后很受消费者欢迎，销量增加，对紫草的需求量也随之逐年大幅攀升。

据不完全统计，紫草需求量2000年为100吨，2002-2004年增长至200-500吨，2005-2007年增长至700-1000吨，2008-2009年又增长至1100-1300吨，2010年已增长至1400吨左右。2010年的市场用量是世纪初叶的14倍，创下历史新高。预测今年市场用量将超过1500吨。

然而市场提供的紫草几乎完全是野生品。由于大规模地滥采乱挖，已造成野生资源枯竭，从2001年起野生紫草资源呈逐年减少之势。据不完全统计，2001年野生紫草产量为3000-4000吨左右，2002-2003年下降至1000-1500吨左右，2 006年再降至800吨左右，2009-2010年已降至500吨左右。资源的匮乏抬高了紫草及其提取物的价值，在国际市场上，紫草提取物价格高达每公斤7000美元。

2.紫草宁的生物合成

2.1植物组织培养技术

植物组织培养概念又叫离体培养，指从植物体分离出符合需要的组织、器官或细胞，原生质体等，通过无菌操作，在人工控制条件下进行培养以获得再生的完整植株或生产具有经济价值的其他产品的技术。

组织培养能够快速繁殖某些稀有植物或有较大经济价值的植物，利用植物组织培养技术培养紫草细胞来得到紫草素，便是成功的例子。

2.2紫草宁的生物合成途径

紫草素及其衍生物的主要生物合成过程是先由两类重要的代谢，即苯丙素类代谢和甲羟戊酸代谢分别形成两个重要的中间前体—对羟基苯甲酸（PHB）和香叶基焦磷酸（GBB），然后由对羟基苯甲酸香叶基转移酶催化及其它代谢酶的级联反应合成的。该次生产物最初在内质网中形成，然后通过胞外分泌作用将紫草素微粒运输到细胞壁中[5]。两个前体物质—对羟基苯甲酸（PHB）和香叶基

焦磷酸（GBB ）的生物合成分别如下[6][7]：

苯丙氨酸

丙氨酸脱氨酶（PAL ） 反式肉桂酸 肉桂酸-4-羟化酶（C4H ）

4-香豆酸 4-香豆酸辅酶A 连接酶（4CL ）

4-香豆辅酶A

对羟基苯甲酸（PHB PHB-O-Glu

乙酰辅酶A

乙酰辅酶A 硫解酶（AACT ）+ HMG-CoA 合成酶（HMGS ） β-羟基，β-甲基戊二酰辅酶A （HMG-CoA ）

HMG-CoA 还原酶（HMGR ）

甲羟戊酸（MV A ）

焦磷酸化、脱羧 IPP

二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP ），焦磷酸香叶酯合成酶 GPP

在紫草宁的生物合成过程中，由对羟基苯甲酸香叶基转移酶作用，将甲羟戊

酸代谢途径形成的GPP的香叶酯基转移到来自丙氨酸代谢产物PHB上，形成香叶基-对羟基苯甲酸（GBA），该化合物是生成紫草宁及其衍生物的前几部反应中的重要前体，由它经过几步酶联反应便生成目标产物，其完整步骤整理如下（由文献整理所绘）：

3.紫草宁的代谢与调控

目前，不但基本清楚了紫草宁生物合成代谢的途径，而且还从紫草培养细胞中分离和鉴定了一些与紫草宁合成相关的代谢酶和基因，开展了紫草宁生物合成的毛状根转基因培养体系以及改变或修饰紫草宁生物合成代谢途径、代谢酶基因等的代谢工程研究。本文将结合这些研究成果，介绍一些与紫草宁生物合成相关