植物黄酮次生代谢中CHS、CHI基因的相关研究

植物黄酮次生代谢中CHS、CHI基因的相关研究

摘要：黄酮类化合物是一类植物的次生代谢产物，有抗炎、抗病毒、利胆、强心、镇静和镇痛等作用外，还具有抗氧化、抗衰老、免疫调节和抗肿瘤等效果，因此，黄酮类化合物在医药、食品、保健品等方面的应用十分广泛。在生物合成黄酮途径中，查尔酮合成酶和查尔酮异构酶是关键酶和限速酶。本文介绍了生物合成黄酮类化合物途径中的CHS、CHI两个基因及其作用机制，简述了研究人员从第一次研究CHS、CHI 基因到现今以来对这两个酶的研究进展，通过总结得出，CHS的开放阅读框在1.2kb左右，大约编码399个氨基酸，CHI基因家族的开放阅读框长为600-15000bp，编码200-400个碱基，两个基因的保守性都比较强。此外，目前的研究还不能完全揭示各种因子对黄酮类化合物代谢关键酶的转录、表达及活性的影响，还需要在这方面作进一步的研究。

关键词：黄酮类化合物；CHS；CHI

The research of the CHS and CHI genes in Plant secondary

metabolism of flavonoids

YANG Huo-Li

College of life and environment science，Minzu University of China

BeiJing 10081

Abstract:Ｆl avones compounds are a class of important secondary metabolites in plants，Having the effect of anti-inflammatory, antiviral, cholagogue function, cardiac, sedation and analgesia, also having theeffect of anti-oxidation, anti-aging, immunomodulatory and antitumor .it is really popularｉｎMedicine, food, health care products．In the biosynthesis of flavonoids way，Synthetase and chalconeisom erase chalcone is the key enzyme and speed limiting enzyme．This article describes the mechanism of CHSａｎｄＣＨＩｉｎthe biosynthesis of flavonoids way．ｔｈｉｓａｒｔｉｃａｌｄｅｓｃｒｉｂｅｓKeywords:Flavones compounds；CHS；CHI．

前言

黄酮类化合物是一类在高等植物中大量存在的重要次生代谢产物,是植物在长期的生态适应过程中为抵御恶劣生态条件、动物和微生物等攻击具而形成的。黄酮类化合物有很多重要的功能,如参与花色的形成、UV防护、抵抗病原体等。目前研究表明,它们还与人类的健康有着密切的关系,具有消除氧自由基、抗炎、抗癌、保护心脑血管系统等多种药理作用[1]。在生物合成黄酮类化合的路径中，查尔酮合酶(CHS)和查尔酮异构酶（CHI)是其中的关键酶和限速酶。目前，对这两种酶基因的研究已成为植物次生代谢黄酮类化合物合成路径研究的

重点之一，各专家学者对不同植物中的CHS、CHI基因的研究已较为深入。如已克隆出拟南芥、白菜、水稻、玉米、大豆、高粱、康乃馨、西洋梨、番茄和葡萄等植物的CHS基因[2-7]。目前，通过对GenBank已登录的这10 种植物中CHS 基因的研究发现，CHS开放阅读框的全长在1.2 kb 左右，大约编码399 个氨基酸[8]。自1987年CHI基因首先从法国豌豆中利用抗体技术分离出来以来，CHI基因已陆续从矮牵牛、菜豆、玉米、豌豆、紫花苜蓿、翠菊、橙、水母雪莲等多种植物中克隆出来[9-10]。本文将针对植物中的CHS、CHI基因研究作一个概述。

1.查尔酮合成酶基因（CHS）

1.1CHS的功能和作用机制

查尔酮合成酶介导了黄酮类化合物合成的第一步，催化三个三分子丙二酸单酰-CoA，与一个分子的香豆酰辅酶A缩合成柚皮素查尔酮，在经由CHI的异构作

用衍生出其他黄酮类化合物[11]。查尔酮合酶的底物大多来源于苯丙氨酸途径的4-香豆素辅酶A，而在少数一些植物中，查尔酮合酶的底物可以是肉桂酰辅酶A 或咖啡酰辅酶A[12]。查尔酮合酶基因在不同植物类群中保守性较高，基因含有2个外显子和1个内含子。内含子的大小及序中的位置比较保守，不同物种中的氨基酸水平的一致性很高，约为79%-91%。CHS基因的启动子具有多个特异的元件，如与接收激发因子诱导所必须的ACE元件，以及负调控的沉默子、维持基因转录水平的P区[13] 。

1.2 CHS基因的研究进展

对CHS基因的研究最早的是矮牵牛中的CHS基因家族，获得8个CHS基因全长序列和4条CHS基因片段序列，组成一个多基因家族[1]。从此之后，研究人员对各种植物中CHS 基因的研究更加深入。

杨丽，刘雅莉等[14]根据报道的查尔酮合成酶基因的保守序列，设计了特异简并引物，以东方百合Sorbonne盛开的花瓣总RNA为模板，逆转录合成cDNA第一链，用特异引物对此双链cDNA进行PCR扩增，将扩增后的基因片段回收克隆后，测序得到目的序列长873bp，与已发表的百合中CHS基因的同源性达91%，说明克隆的片段属于查尔酮合成酶基因，GenBank上的登录号为DQ471950。

周琳等[15]以牡丹品种“彩绘”为试材，采用RT-PCR和RACE方法从花瓣中获得了一个牡丹查尔酮合成酶基因cDNA全长，命名为Ps-CHS1,GenBank登录号为GQ483511.序列分析结果表明，Ps-CHS1全长1457pb,包含82bp的5’非编码区、

208pb的3’非编码区和一个长度为1185bp编码394个氨基酸的开放阅读框。氨基酸序列分析显示该基因编码的蛋白具有CHS家族保守存在的所有功能活性位点和特征多肽序列。序列比对和系统进化分析表明，Ps-CHS1与杨柳科、锦葵科、蔷薇科等植物的CHS亲缘关系较近，相似度达90%以上。

杨俊波等[16]用PCR方法从石笔木中的总DNA中扩增CHS基因外显子2的部分序列，得到12个序列，经排序和系统树的构建分析，所有被测定的序列同源性均高于70％，为CHS基因家族的成员。研究者预测，山茶科CHS基因家族较大，且有着复杂的进化式样。

PaIlg等[17]克隆得到了银杏CHS的基因G6C月S(GenBank登陆-号AY647263)，该序列全长1295bp．表达产物的相对分子质量为42 kDa,Southern blot显示其属于多基因家族，并且在根、茎、叶等不同部位的表达情况不同。

2.查尔酮异构酶基

2.1CHI功能和作用机制

在异黄酮合成途径中，查尔酮合成酶(CHS)催化合成反应的第一步，查尔酮异构

酶(CHI)催化第二步反应，由一个香豆酰-CoA和三个丙二酸单酰-CoA在CHS的作用下生成查尔酮。查尔酮再经过CHI的作用形成二氢黄酮，二氢黄酮再在各种酶的催化下转化为其它各种颜色类型的黄烷酮化合物[18]。查尔酮异构酶也是植物抗毒素生物合成所必需的酶，分子量因植物的种类而异[19]，约24×103-29×103，其多肽链在不同物种间表现出高度的同源性。不同植物查尔酮异构酶的同源性为49％～82％，不同类型间查尔酮异构酶的同源性仅有50％左右，但同一类型查尔酮异构酶的同源性可达70％以上[20]。查尔酮异构酶催化分子内的环化反应，其底物为查尔酮合酶催化合成的查尔酮(4，2’，4’，6’一四羟基查尔酮)或6’-脱氧查尔酮(4,2’，4’,6’-四羟查尔酮)。查尔酮异构酶的催化活性具有立体异构性，它的催化效率随着反应体系中pH的不同而不同。当pH为7．5时，催化活性为90％；在pH为6.0时，催化活性只有50％。按CHI作用底物的不同，可将CHI基因分为2类。TypeI的CHl只能以6-羟基查尔酮(6-hydroxychalcone)底物，如黄瓜中存在的CHI。TypeII的CHI一般存在于豆科植物中。TypeII的CHI既可以6-羟基查尔酮底物，也可以6-脱氧查尔酮(6-deoxychalcone)为底物。Gensheimer等[21]的研究结果表明，可以把真菌和细菌中的3类CHI蛋白基因家族归为TypeI。CHI基因为多基因家族。矮牵牛中含有2个CHI基因，同属于Type 。豆科植物百脉根中含有3种CHI基因，其中CHI2属于Type I，CHI1和CHI3则同属TypeII。查尔酮异构酶的整体空间结构像是由开面的D一三明治折叠形成的倒置花束。