甲羟戊酸对萜类物质合成的影响范文

《中国农业科技导报》2014年第四期

1甲羟戊酸途径

甲羟戊酸途径是生物合成类异戊二烯物质的经典途径［15，16］，Shiao通过同位素追踪证实担子菌中存在甲羟戊酸途径，它主要在细胞质和线粒体内发生，以乙酰辅酶A为合成初始物。甲羟戊酸途径（图1）的主要过程就是乙酰辅酶A（乙酰CoA）在乙酰硫解酶的作用下发生克莱森缩合和裂解反应，分别在乙酰CoA的C上缩合生成乙酰乙酰CoA；接着再与一分子乙酰CoA在3羟基3甲基戊二酸单酰辅酶A（HMGCoA）的催化，以及Fe2＋和质体醌（quinone）的辅助下，由乙酰CoA酰基转移酶发生不可逆反应生成HMGCoA；HMGCoA通过HMGCoA还原酶催化接受NADPH的氢，经两步反应生成甲羟戊酸；在此过程中HMGCoA还原酶是整个甲羟戊酸途径的关键控制酶，接着便是甲羟戊酸在三个连续ATP依赖酶之一的甲羟戊酸激酶的作用下，生成甲羟戊酸5磷酸；然后生成物再在磷酸甲羟戊酸激酶的催化下生成甲羟戊酸5焦磷酸；之后在甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶的作用下发生脱羧反应生成异戊烯焦磷酸，而异戊烯焦磷酸（isopentenypyrophosphate，IPP）和二甲烯丙基焦磷酸（dimethylallylpyrophosphate，DMAPP）是一些萜类、甾醇等类异戊二烯类前体物质［18］。在甲羟戊酸途径中，乙酰CoA是此途径IPP合成的前体物质，对于萜类物质的产量有着重要的作用；而3羟基3甲基戊二酸单酰CoA（HMGCoA）是整个途径的关键限速酶，甲羟戊酸激酶（MVK）则是三个ATP依赖酶的第一个，HMGCoA和MVK对于萜类物质的合成起到限制和控制的作用。

2甲羟戊酸途径物质对萜类物质合成的影响

2．1乙酰CoA对萜类化合物的影响在担子菌经由甲羟戊酸途径合成萜类物质中，乙酰CoA是整个途径的起始物，其含量多少直接影响着整个途径中萜类化合物的生成量。生物体内的乙酰CoA主要是一些CoA在酶的作用下接受乙酰基催化生成的，虽然细胞质内乙酰CoA主要参与脂肪酸的合成，但胞质乙酰CoA仍可以经由甲羟戊酸途径合成异戊二烯焦磷酸，并最终合成萜类化合物。在此合成萜类化合物的过程中，乙酰CoA在HMGCoA还原酶的作用下生成HMGCoA（图2）。在萜类物质合成的过程中，乙酰乙酰CoA硫解酶（乙酰CoA乙酰转移酶）催化乙酰CoA合成HMGCoA，首先共价乙酰CoA与CoAS－反应生成乙酰SCoA，随后第二个乙酰CoA基质上去质子化的C2与乙酰乙酰CoA硫解酶上的负碳离子反应，进而生成乙酰乙酰CoA和CoASH；然后两分子乙酰CoA在HMGCoA合成酶的作用下生成HMGCoA。乙酰CoA是甲羟戊酸途径的前体物质，因此对于合成萜类物质的前体物质起到总量控制的作用，改变乙酰CoA的浓度会直接影响萜类物质的产量。最近几年的研究证实，可以通过调控乙酰CoA的基因表达来增加乙酰CoA的含量，进而增加萜类物质在目标载体中的产量。Shiba等在啤酒酵母中异源表达来自于沙门氏菌的乙酰CoA合成酶基因ACS，在啤酒酵母菌株PDB108中获得高浓度的青藁素前体物amorphadiene，从而提高了萜类物质青藁素的含量；欧阳翔在研究灵芝三萜类化合物时发现，在甲羟戊酸途径中乙酰CoA合成HMGCoA的催化酶GlHMGS启动子中，发现了两个潜在的茉莉酸响应元件，并且参与了茉莉酸甲酯信号调控的灵芝三萜类生物合成途径，同时猜测这种调控机制可能是潜在的茉莉酸甲酯响应元件介导的。而且在萜类物质合成的过程中，还可以通过乙酰CoA的负反馈调节作用来增加萜类物质的产量。陈孚江等在研究酵母乙酰CoA合成基因ACS时，通过增加其胞内乙酰CoA的含量来加大甲羟戊酸途径碳代谢流量，从而达到增加类异戊二烯产物的合成；并且甲羟戊酸途径中，乙酰CoA的水平受到中间关键物甲羟戊酸的负反馈调节［22］。Asadollahi等通过删除GDH2来弱化甲羟戊酸代谢途径反馈抑制，从而增加了甲羟戊酸途径的碳代谢流量，使得目标产物的产量提高。由于乙酰CoA在生物体内同时参与许多重要的生化反应，如三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，TCA）、脂肪酸合成与分解（fattyacidssynthesisanddegradation）和氨基酸代谢（aminoacidmetabolism）等，在这些途径中可以通过控制甲羟戊酸途径来促使乙酰CoA转向不同的代谢途径，从而有利于提高不同途径产物的产量。魏萍等［24］在裂殖壶菌中通过增加乙酰CoA在甲羟戊酸途径中的供应，结果发现二十二碳六烯酸（DHA）的产量比空白对照提高了46．61％。因此在担子菌甲羟戊酸途径中乙酰CoA不仅可以控制萜类物质的合成及其含量，还可以通过调节乙酰CoA来调节担子菌非甲羟戊酸途径的代谢产物（图3）。

2．2HMGCoA还原酶的限制在甲羟戊酸途径中，3羟基3甲基戊二酸单酰CoA（3hydroxy3methylglutarylCoA，HMGR）是各种类异戊二烯物质合成过程中很重要的关键限速酶，同时也是甲羟戊酸途径中调控的重点，它在此途径中能催化乙酰CoA合成甲羟戊酸，而后者在酶的进一步作用下合成异戊二烯焦磷酸（IPP），进而生成类萜类物质的另一前体物二甲烯丙基焦磷酸（DMAPP）。生物界存在两大类HMGCoA还原酶，动物、植物、真菌等真核生物及部分古细菌，如詹氏甲烷球菌（Methanococcusjannaschii）、担子菌的HMGCoA还原酶属于I类还原酶，假单胞杆菌、肺炎链球菌、肠道球菌等原核生物及部分古细菌（Archaeoglobusfulgidus）的HMGCoA还原酶属于Ⅱ类还原酶。担子菌HMGCoA还原酶是由4个97ku的相同亚基组成的N甘露糖糖蛋白，其中每个亚基有888个氨基酸残基组成，第872个氨基酸磷酸化［25］，其中HMGCoA催化还原为甲羟戊酸的过程中需要2分子的NADPH、2H＋以及HMGCoA还原酶，此过程包括3个连续的反应阶段，甲羟戊酸是第二个反应阶段的中间产物，并且HMGCoA还原酶还能催化该反应的逆向反应，氧化甲羟戊酸为HMGCoA［26］（图4）。在萜类物质的合成过程中，通过HMGCoA还原酶基因的过表达能够增加萜类物质的产量，现阶段HMGCoA还原酶基因已经能够克隆和表达。Rico等在酵母中转录仙女扇沉香醇合酶基因（LIS），在菌株T73中LIS能够解除HMGCoA还原酶对单萜沉香醇含量的抑制作用，并且进一步研究发现，HMGCoA的过表达能够少量的增加沉香醇的含量。Xu等通过运用RTPCR方法来表达HMGCoA还原酶基因，验证了其在灵芝中其与三萜类物质之间存在着重要相关性；随后发现灵芝的同源转录能够增加灵芝酸的基因表达水平；同时通过缩短HMGCoA还原酶基因，并在农杆菌中转录过表达，同时发现其能够增加灵芝酸的含量，从而证明HMGCoA还原酶能够增加灵芝中灵芝酸的含量，这也为研究者在提高灵芝酸含量方面提供了探索途径。HMGCoA还原酶是萜类物质合成的限速酶，在甲羟戊酸途径中宏观调控HMGCoA还原酶的活性主要是通过化学抑制剂，进而降低酶的活性改变反应速率，从而限制萜类物质的合成。HMGCoA还原酶的化学抑制剂主要是他汀类化合物，阿托伐他汀类药物通过氢键作用使其3，5二羟戊酸和蛋白质残基之间连接，而苏伐他汀类药物则除了存在氢键作用外，其上面的氧原子还能和蛋白质残基之间存在极性作用，从而使得这类药物的抑制作用更显著。他汀类抑制剂的结构中侧链部分与HMGCoA结构相似，有些需要水解成β羟酸的活性产物而发挥作用，因抑制剂的开放酸部分可与HMGCoA还原酶活性部位相结合，因此竞争性抑制HMGCoA还原酶活性，从而阻断HMGCoA转变为甲羟戊酸。他汀类药物中憎水性的刚性结构上的β，δ二羟基酸链的邻位引入憎水基团能够增强药物与HMGR的结合，在刚性结构的其他位置引入极性基团能够加强药物对HMGR的抑制作用。但是甲羟戊酸能够逆转HMGCoA还原酶抑制剂产生的抑制作用。徐琳等研究表明甲羟戊酸能够拮抗辛伐他汀对鼠血管成纤维细胞（VFs）胶原合成的抑制作用，陈永清等［33］发现左旋甲羟戊酸能够逆转辛伐他汀对心肌细胞肥大的抑制作用。

2．3甲羟戊酸激酶（MVK）的限制甲羟戊酸激酶（mevalonatekinase，MVK）是甲羟戊酸途径合成萜类化合物的三个连续ATP依赖酶的第一个，其与ATPγ位上的磷酸基团作用，把磷酸基团转移到甲羟戊酸C5上催化还原形成甲羟戊酸5磷酸，同时产生ADP。甲羟戊酸激酶能够催化形成类异戊二烯衍生物；同时甲羟戊酸激酶能够催化合成某些病原微生物的抑制物质，因此利用酶来抑制微生物可能是未来开发致病微生物抑制剂的重要内容，但在真菌中此方向的研究还很少，大部分集中在动物和植物方面的研究。甲羟戊酸激酶是甲羟戊酸途径的限速酶之一，近几年的研究发现在甲羟戊酸磷酸化的过程中，甲羟戊酸激酶能够有序的对其反应物起作用，首先当所有的底物都与激酶结合后，才释放出第一个产物，也就是甲羟戊酸激酶首先同底物中的甲羟戊酸结合，然后依次顺序结合MgATP，而甲羟戊酸磷酸是第一个被释放的产物，然后才是ADP的释放，其反应机制如图5所示。甲羟戊酸激酶基因表达模式在植物中研究的比较多，在动物和微生物中研究的比较少。通过MVK保守区域氨基酸序列的比较，发现真核生物和原核生物的甲羟戊酸激酶具有高度相似性，并进一步分析其晶体结构，表明所有生物MVK酶活性中心都具有3个保守区域，并且每个保守区域的功能相同，这说明真核和原核生物的MVK酶促反应机制相似，其中保守区1与底物结合及催化反应有关，而保守区2和保守区3则与ATP的结合及催化反应有关。甲羟戊酸激酶基因在植物体内的过量表达增加了类异戊二烯衍生物的含量。郭溆等利用实时荧光定量PCR检测三七中MVK扩增基因PnMVK1的组织表达特异性时，检测到该基因在根中的表达量最高，并推测三七根部的三萜皂苷含量最为丰富，为此可以进一步推测三七MVK基因的过表达能够增加三萜皂苷的丰度；Champenoy等在烟草中表达酵母MVK基因时，发现MVK基因的过表达能够使甲羟戊酸激酶活性显著增加，并且使烟草中根尖等部位的细胞分裂素增加。甲羟戊酸激酶的活性大小对萜类物质的合成速率具有重要的影响作用，并对萜类物质的产量有重要影响。甲羟戊酸激酶受代谢产物的反馈抑制调节，其中萜类前体物质栊牛儿基焦磷酸（GPP）和法尼基焦磷酸（FPP）是研究最多的抑制剂，两者在不同生物中能显著改变酶的活性。Voynova等对比了人类和金黄色葡萄球菌中FPP和法尼基硫代焦磷酸（FSPP）对甲羟戊酸激酶的影响，发现细菌FSP／FSPP中的C15链能反馈抑制甲羟戊酸激酶，而在动物中其在C6C15链上能抑制甲羟戊酸激酶，并且都能够显著影响甲羟戊酸激酶的特征值Km，进而改变酶的活性。除此之外Cho［37］研究表明甲羟戊酸二磷酸和苏氨酸相互作用能通过甲羟戊酸来影响甲羟戊酸激酶的Km，在甲羟戊酸途径中，甲羟戊酸磷酸盐在部分双底物反应中能影响甲羟戊酸激酶，其一旦与甲羟戊酸结合，甲羟戊酸激酶的结构发生局部性的变化，其活性位点附近的侧链重新定向，并且链环的变化导致结合的空间变紧。在形成三级结构时，活性位点会变得更紧密，结合的甲羟戊酸和肽链会发生额外的相互作用，从而影响MVK的Km值，根据分子动力学理论，通过Km的改变能够对酶活性及反应速率都会产生影响，进而可以达到影响萜类物质合成速率的目的。

3展望

担子菌是一类种类繁多的真菌，越来越多的担子菌萜类化合物被证明对人类生活有重要的影响。甲羟戊酸途径中的某些物质乙酰CoA、HMGCoA还原酶、MVK对担子菌萜类化合物的水平起到调节作用，并且此途径中的产物对生物体内其他物质也有着一定的控制作用。Yasmim等证实在烟曲霉中麦角甾醇和载铁素合成之间的相关性是通过甲羟戊酸所控制的，因此可以猜想甲羟戊酸途径能够影响担子菌中其他次生代谢产物的含量，这可能将作为生物代谢产量提高的一条途径。但是否担子菌中非甲羟戊酸途径次生代谢产物能够影响甲羟戊酸途经，并且这些次生代谢产物与萜类物质是否存在关系还有待于进一步的研究。鉴于甲羟戊酸途径能够影响许多微生物的次生代谢产物含量，这些次生代谢产物很多可以作为人类某些疾病的特效药物，同时这些物质还可用于人类日常生活中，因此利用甲羟戊酸途径来刺激某些微生物的次生代谢产物水平将会进一步的被研究利用。同时在担子菌甲羟戊酸途径HMGCoA还原酶的控制中，大部分的研究集中在抑制剂他汀类化合物对其作用的影响，但研究表明他汀类药物对人体肝胆有危害，担子菌很容易因富集他汀类物质而使得某些食用类担子菌对人体健康产生危害。同时现代医学人工合成药物面临各种安全问题，因此寻求安全有效的生物活性药物已成为人类的迫切需求，而担子菌甲羟戊酸途径产物萜类化合物中存在大量对人体有益的成分，因此担子菌萜类活性物质的发现可以为新药物的研发提供方向，同时还可以替代同是HMGCoA还原酶抑制剂的他汀类物质来作为治疗人类某些慢性疾病的新药物。

作者：李亮尚晓冬谭琦单位：上海市农业科学院食用菌研究所国家食用菌工程技术研究中心农业部应用真菌资源与利用重点开放实验室上海市农业遗传育种重点实验室上海海洋大学食品科学学院