萜类合成酶的研究进展
摘要：萜类化合物是自然界中存在非常普遍的一类天然产物，主要是由一个或者多个异戊二烯（C5）单元组成，根据不同的异戊二烯个数，将萜类化合物分为单萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、三萜（C30）等。由于萜类化合物在结构上的多样性，也决定了功能的多样性，近年来萜类化合物被广泛的用于药品、化妆品、杀虫剂等方面。有很多萜类物质的来源受限于植物提取,利用化学方法合成步骤多，对环境污染较大，因此人们开始研究利用萜类合成酶（TPS）对萜类物质进行生物合成研究。萜类合成酶是萜类化合物生物合成中的一类关键酶，包括单萜合成酶、倍半萜合成酶、二萜合成酶等。设计和改造微生物菌株进行异源表达已被认为是一种获取大量高性能酶以使后续研究得以顺利进行的最有潜力的方法。通过基因工程手段改造细胞代谢途径从而提高萜类产量已有很多成功的例子。目前，拟南芥、青蒿、棉花和沉香树等高等植物的萜类合酶基因已被克隆。不同植物萜类合酶基因表达部位不同。克隆得到萜类合酶基因，进一步分析序列并检测酶活，可以得到酶催化底物的更多信息，可以为下一步萜类合酶基因的理性设计和定向改造打下基础。
关键词：萜类化合物；萜类合成酶；基因克隆；酶催化；基因表达及纯化
引言
萜类化合物，又被称为类异戊二烯，是广泛存在于自然界中的一类天然有机化合物。目前已知的萜类化合物有5万多种[1]，根据结构中包含的异戊二烯单元数量可将其分为单萜、倍半萜、二萜和三萜等，也可根据其碳环数分为链萜、单环萜、双环萜和三环萜等。有些萜类化合物具有药理活性，如来自短叶红豆杉中的紫杉醇具有抗癌活性；来自中草药丹参的丹参酮类化合物则同时具有抗菌、消炎和抗癌作用[2]；来自樟树挥发油的樟脑在医学上常被用作强心剂和刺激剂。有些植物萜类化合物则因其芳香特质成为食品工业和化妆品工业不可或缺的重要原料，如玫瑰精油、大蒜素等。还有些萜类化合物是植物生长发育所必需的，如类胡萝卜素可参与光合作用[3]；赤霉素作为广泛存在的植物激素可促使根茎生长；固醇则是细胞膜的主要组成成分。此外，部分萜类化合物在调节植物与环境的相互作用方面也发挥着重要作用，如某些挥发性萜类物质对外来入侵者具有防御和毒害作用[4]。
有很多萜类物质的来源受限于植物提取[5]，利用化学方法合成步骤多，对环境污染较大，因此人们开始研究利用萜类合成酶（TPS）对萜类物质进行生物合成研究。萜类合成酶是萜类化合物生物合成中的一类关键酶，包括单萜合成酶、倍半萜合成酶、二萜合成酶等。Christianson提出根据起始碳正离子形成的方式，可将萜类合成酶分为两种类型，依靠底物去离子化形成碳正离子发挥作用的被称为Type Ⅰ合酶，通过碳碳双键质子化或者环氧化获得碳正离子中间体的为Type Ⅱ合酶。其中Type Ⅰ合酶包括半萜合酶、单萜合酶、倍半萜合酶和部分二萜合酶，Type Ⅱ合酶则包括部分二萜合酶和三萜合酶[6]
获取高性能酶的重要方法之一是通过定向进化对酶进行改造。但只有从蛋白质三维结构进行分析才能获知改造后的酶为什么能表现出高选择性与高活性以及突变的位点对蛋白质结构产生了什么样的影响[12]。设计和改造微生物菌株进行异源表达已被认为是一种获取大量酶以使后续研究得以顺利进行的最有潜力的方法。通过基因工程手段改造细胞代谢途径从而提高萜类产量已有很多成功的例子。目前，拟南芥、青蒿、棉花和沉香树等高等植物的萜类合酶基因已被克隆。不同植物萜类合酶基因表达部位不同。克隆得到萜类合酶基因，进一步分析序列并检测酶活，可以得到酶催化底物的更多信息，可以为下一步萜类合酶基因的理性设计和定向改造打下基础。
目前有关萜类合成的研究大都集中在拟南芥、水稻、番茄及棉花等模式植物及部分经济作物上，而不少具有潜在生物活性物质的植物，如一些多年生果树及中药类作物等，相关方面的研究鲜见报道，有待于进一步深入研究。
最重要的萜类合酶-倍半萜合酶研究进展
