那可丁生物堿生物合成的分子調(diào)控研究進展

陳芳+魏玉杰+張兆萍+蘇毓杰+楊振華

摘要 那可丁是藥源植物罌粟所獨有的生物堿，其藥用價值高，且無耐受性和成癮性，是咳嗽抑制藥物和潛在的抗癌藥物之一，從植物中提取是其唯一來源，人工無法合成，市場前景非常廣闊。目前，國內(nèi)對藥源植物罌粟中那可丁生物堿生物合成的分子調(diào)控研究鮮見報道。國外許多研究人員致力于解析那可丁生物堿生物合成途徑，并利用現(xiàn)代分子生物技術提高植物中那可丁生物堿的含量與開辟新藥源。本文對藥源植物罌粟中那可丁生物堿生物合成的分子調(diào)控研究進展進行綜述，以期為那可丁生物堿生物合成的相關研究提供良好的研究基礎與理論依據(jù)。

關鍵詞 那可??；生物合成途徑；分子調(diào)控；研究進展

中圖分類號 S567.2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）02-0052-03

Research Progress on Molecular Regulation of Noscapine Biosynthesis

CHEN Fang 1，2 WEI Yu-jie 1，2 ZHANG Zhao-ping 1，2 SU Yu-jie 1，2 YANG Zhen-hua 1，2

（1 Gansu Academy of Agri-engineering Technology，Wuwei Gansu 733000； 2 Key Laboratory of the Special Medicine Source Plant for Germplasm Innovation and Safety Utilization in Gansu Province）

Abstract Noscapine is a peculiar alkaloid in opium poppy. It has very high medicinal value without tolerance and addiction，and it is one of the cough suppression drugs and potential anticancer drugs. Noscapine can only be obtained extracted from plants，can not be ovtificially synthesized，and it has promising market prospects. At present，the research for molecular regulation of noscapine biosynthesis in opium poppy has not been reported interiorly. Many foreign researchers have devoted to analyze the noscapine biosynthetic pathways and use the modern molecular biotechnology to enhance the content of noscapine in plants and develop a new drug source way.This paper reviewed research progress on molecular regulation of noscapine biosynthesis in opium poppy-the medicine source plant，in order to provide the research foundation and theoretical basis for the research of noscapine biosynthesis.

Key words noscapine；biosynthetic pathway；molecular regulation；research progress

那可丁屬阿片類生物堿，英文名Noscapine，結構式C22H23NO7，化學名（—）-（3S，5′R）-6，7-二甲氧基-3-（5，6， 7，8-四氫-4-甲氧基-6-甲基-1′，3′-二氧雜環(huán)戊烯[4′，5′g]-5-異喹啉基）-1（3H）-異苯并呋喃酮。按照化學結構分類，那可丁屬于四氫異喹啉類生物堿。其結構是由四氫異喹啉環(huán)（Up Half）和異苯并呋喃酮（Down Half）兩部分構成，分子中有2個手性中心：異苯并呋喃酮的C-3位和四氫異喹啉環(huán)的C-5′ 位，存在4個立體異構體。

1817年Robiquett首次從罌粟中分離得到那可丁[1]。罌粟（2n=22，Papaver somniferum L.）為罌粟科一年生或二年生草本植物，是可產(chǎn)生芐基異喹啉生物堿（benzylisoquinoline alkaloids，BIAs）的重要藥源植物，罌粟果殼性微寒，味酸澀，有小毒，含少量生物堿，有斂肺、澀腸、止痛的作用。罌粟乳汁中含多種生物堿，其中嗎啡（Morphine）、可待因（Codeine）與蒂巴因（Thebaine）等有中樞興奮、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)咳和催眠作用；罌粟堿（papaverine）、那可丁（Noscapine）等對平滑肌有明顯的解痙作用[2]。那可丁是一種經(jīng)典的鎮(zhèn)咳藥物[3]，并可用于治療腦卒中和水腫[4]。同時，那可丁具有一定的鎮(zhèn)痛活性，但活性低于嗎啡和可待因。近10年來，那可丁更多作為新型作用于微管類抗腫瘤藥物而得到了系統(tǒng)而廣泛的研究，是一種極具前景的抗腫瘤藥物[5]。

那可丁藥用價值高且無耐受性和成癮性，由于其化學結構具有2個手性中心，妨礙化學合成，人工無法合成，從植物中提取成為唯一來源[6]。許多研究人員希望通過解析那可丁生物堿合成途徑，挖掘參與那可丁生物堿合成與調(diào)控的基因或轉(zhuǎn)錄因子并結合代謝工程技術來改造植物宿主，以期提高那可丁生物堿產(chǎn)量和開辟新藥源[7]。目前，國外對那可丁生物堿生物合成的分子調(diào)控研究取得了一定進展，但國內(nèi)至今對那可丁生物堿合成的分子調(diào)控尚無研究。因此，本文將對那可丁生物堿生物合成的分子調(diào)控研究進展進行綜述，以期為那可丁生物堿合成代謝的相關研究提供良好的研究基礎與理論依據(jù)。endprint

1 那可丁生物堿的生物合成途徑

在罌粟植物中那可丁生物堿是由（S）-去甲烏藥堿[（S）-Norcoclaurine]通過一系列酶反應而合成（圖1）。那可丁生物合成途徑中，中間產(chǎn)物（S）-網(wǎng)狀番荔枝堿[（S）-reticuline]經(jīng)過小檗堿橋酶（BBE）的催化生成（S）-金黃紫堇堿[（S）-scoulerine]；從（S）-金黃紫堇堿開始，經(jīng)過2步酶催化反應，由1個O-甲基轉(zhuǎn)移酶（SOMT）和1個P450氧化還原酶（CAS）催化合成（S）-四氫小檗堿[（S）-canadine]，其中SOMT催化生成（S）-四氫非洲防己堿[（S）-tetrahydrocolumbamine]，CAS 催化生成（S）-四氫小檗堿；（S）-N-甲基四氫小檗堿[（S）-N-methylcanadine]由N-甲基轉(zhuǎn)移酶（TNMT）催化（S）-四氫小檗堿生成（表1、2）。目前，由（S）-N-甲基四氫小檗堿至罌粟殼堿（narcotoline）的中間產(chǎn)物還不明確，有研究者認為那可丁可能是由罌粟殼堿通過甲基化作用或者上游不確定的中間產(chǎn)物催化而成[8]。

2 那可丁生物堿合成的分子調(diào)控研究

近些年關于那可丁生物堿合成的分子調(diào)控研究取得了許多突破性的進展。研究表明，SOMT是那可丁生物合成途徑中調(diào)控（S）-金黃紫堇堿的關鍵酶，并從罌粟中分離獲得了該關鍵酶基因，抑制SOMT酶基因的轉(zhuǎn)錄水平，罌粟中那可丁的積累量明顯減小，但（S）-金黃紫堇堿卻獲得了大量的累積[9]。在那可丁生物合成過程中，CYP酶類同樣也是催化那可丁生物堿合成的關鍵酶類[10-11]，其中CYP719與CYP82 2種酶均與那可丁的生物合成有關聯(lián)[12]。在這2個關鍵酶中，CYP719A21是那可丁生物合成途徑中調(diào)控（S）-四氫非洲防己堿合成（S）-四氫小檗堿的關鍵酶[13]，抑制CYP719A21酶基因的轉(zhuǎn)錄水平，罌粟中那可丁的積累量也明顯減小，并且CYP719A21酶基因的表達調(diào)控是那可丁生物合成過程中（S）-四氫非洲防己堿合成（S）-四氫小檗堿途徑的第1個關鍵步驟[14]。

目前，盡管（S）-N-甲基四氫小檗堿至那可丁合成途徑中的中間產(chǎn)物還不明確，但現(xiàn)已明確的是CYP82是催化原阿片堿異構化形成（S）-N-甲基四氫小檗堿的關鍵酶類[15]，并且通過對比分析8個不同基因型罌粟中CYP82酶的代謝與轉(zhuǎn)錄水平，發(fā)現(xiàn)CYP82類酶中有3種酶與那可丁的合成積累存在一一對應的關系[16-18]，其中CYP82Y1酶是唯一一個以（R，S）-N-甲基四氫小檗堿為底物進行催化反應形成那可丁的關鍵酶，并且CYP82Y1酶也是催化1-羥基化-N-甲基四氫小檗堿合成那可丁的第一步關鍵酶[19]，它對于建立那可丁生物合成的反應途徑具有極其重要的作用[19-21]。相關研究表明，罌粟中CYP82Y1酶基因在莖桿中大量表達，是因為罌粟中主要積累合成那可丁的器官為莖桿；利用基因沉默技術（RNAi）對CYP82Y1酶基因進行調(diào)控，干擾CYP82Y1酶基因在罌粟中的轉(zhuǎn)錄，罌粟各器官中那可丁的積累量都有所降低，特別是莖桿中那可丁的積累量明顯降低[22-23]。此外，干擾CYP82Y1酶基因的轉(zhuǎn)錄水平，罌粟中那可丁合成路徑下游的生物堿積累量都有所降低，而合成途徑上游的（S）-金黃紫堇堿、（S）-四氫小檗堿及（S）-N-甲基四氫小檗堿積累量均有所增加[24]。通過一系列的研究證明了利用分子生物學技術調(diào)控罌粟中那可丁生物合成途徑中的關鍵酶基因的可能性與潛力。

3 研究展望

已有研究結果表明，罌粟植物中那可丁生物堿的生物合成受高度有序的發(fā)育進程和環(huán)境因素等的控制[25]，要想進一步弄清那可丁生物堿合成途徑的具體過程，需要解析與其生物合成相關的更多有效關鍵基因。目前，國內(nèi)還未開展對罌粟植物中那可丁生物合成的分子調(diào)控研究。今后將利用基因工程技術，在分子水平上對調(diào)控罌粟植物中那可丁生物堿生物合成的關鍵酶基因進行研究，建立那可丁生物堿生物合成研究體系，以期通過人為方式改變罌粟植物中那可丁的生物合成過程，培育那可丁生物堿專用型罌粟種植資源，實現(xiàn)我國罌粟栽培專用化，解決藥用罌粟種質(zhì)資源稀缺的瓶頸問題，以滿足人們對那可丁生物堿的強大市場需求。

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