科学研究与应用
Journal of Scientific Research and Applications
- 主办单位:未來中國國際出版集團有限公司
- ISSN:3079-7071（P）
- ISSN:3080-0757（O）
- 期刊分类:科学技术
- 出版周期:月刊
- 投稿量:5
- 浏览量:705
相关文章
暂无数据
药用植物活性成分生物合成中糖基转移酶UGT的研究进展
Research Progress of UDP-Glycosyltransferases (UGTs) in the Biosynthesis of Bioactive Components from Medicinal Plants
引言
植物活性成分是植物进化产生的次生代谢产物，具化学多样性和显著生物学功能，在医药、食品等领域开发潜力大，按化学结构可分为多糖、类黄酮、萜类、酚酸等。其中，植物多糖广泛存在于药用植物各组织，具免疫调节等活性，已应用于保健食品与药物辅料；类黄酮多见于果蔬和中药材，凭抗氧化等功效成为天然药物与营养补充剂重要来源；萜类化合物种类丰富，具抗菌等活性，在农业植保与临床治疗中前景广阔。
这些活性成分的合成依赖复杂代谢网络，糖基化修饰是关键环节，对其稳定性、水溶性及生物利用度起决定性作用。UDP-糖基转移酶（UGT）是糖基化反应核心催化酶家族，底物特异性和催化活性高，可将活化糖基转移至黄酮等骨架分子，通过结构修饰改变化合物理化性质与功能。近年基因组学与代谢组学技术发展推动多个UGT基因鉴定与功能验证，明确其在活性成分结构多样化中的核心地位。本文系统综述UGT介导的糖基化机制及其对植物活性成分功能的调控作用，深入解析植物次生代谢分子基础，为天然产物定向改良与高效利用提供理论依据。
1 植物活性成分生物合成的关键途径与核心酶类
植物活性成分是天然产物的重要组成，包含糖类（如植物多糖）和三萜皂苷类。随着生物合成研究的发展，两类成分的生物合成途径逐步解析，关键合成酶与调控基因不断被挖掘，推动植物源活性成分向规模化、绿色化方向发展。
1.1 甘草多糖
甘草多糖是从甘草中提取的一种天然植物多糖，主要由阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖和鼠李糖组成，具有免疫调节、抗氧化、抗菌等作用。甘草多糖的生物合成通路主要包括蔗糖转化、尿苷二磷酸葡萄糖（UDP-葡萄糖）至其他NDP单糖的转化、多糖聚合3个部分。甘草SUS稳定性低与其柔性N末端结构有关，进一步将GuSUS1突变体与甘草次酸（GA）糖基化相关的UGT73C11偶联，用于尿苷5′-二磷酸二钠盐水合物（UDP）的糖基化反应。
1.2 黄芪多糖
黄芪多糖（astragalus polysaccharides，APS）是中药黄芪的主要成分，具有抗炎、抗氧化应激、抗纤维化、保护肝脏、抗肿瘤和免疫调节功能。黄芪多糖（APS）的生物合成研究取得了一定进展，已定位了多糖合成相关的糖基转移酶基因，明确了合成路径的关键节点，为黄芪多糖的合成机制研究和开发利用提供了基础。aga2基因(α-半乳糖苷酶基因)分解黄芪中的α-半乳糖苷类物质，产物可能间接参与胞外多糖合成。其表达可能有助于提高黄芪发酵产物中的多糖得率。
1.3 积雪草皂苷
积雪草为伞形科植物的干燥全草，具清热利湿、解毒消肿功效，其活性成分主要为三萜及其苷类化合物，且不同产地的积雪草中活性成分含量差异显著。积雪草皂苷的合成主要依赖胞质内的甲羟戊酸途径（MVA），以乙酰辅酶A为前体，经多步反应生成FPP后，由鲨烯合酶（SS）、鲨烯环化酶（SE）、氧化鲨烯环化酶（OSC）三类关键酶依次构建三萜类骨架，再经化学修饰形成积雪草苷、羟基积雪草苷等五环三萜类化合物。研究发现，这4个关键酶基因在叶中相对表达量最高，且与积雪草皂苷含量存在相关性，推测其均参与该类成分的生物合成与积累过程。
1.4 重楼皂苷
重楼皂苷是重楼的特征性活性成分与主要药效物质基础，共142余种，在抗肿瘤、抗炎镇痛、止血、抗真菌等方面活性显著。其生物合成以细胞质内的甲羟戊酸通路（MVA）为主，质体内的非甲羟戊酸通路（MEP）为辅，两通路分别以乙酰辅酶A、丙酮酸为起始物，经多步反应合成前体，最终在β-糖苷酶与甾体糖基转移酶催化下形成甾体皂苷。前期通过RNA-Seq技术分析7年生球药隔重楼根茎、茎、叶的转录组数据，并结合各器官中螺甾烷型重楼皂苷含量，已鉴定出该类皂苷生物合成途径相关基因，为通路解析与优良品种分子育种提供了科学支撑。对其总结如下（表1）。
| 植物 | 活性成分 | 关键基因 |
|---|---|---|
| 甘草 | 甘草多糖 | GuSUS1、GuSUS2、UGT73C11 |
| 黄芪 | 黄芪多糖 | Aga2 |
| 积雪草 | 三萜类化合物（三萜皂苷） | CaOSC1、CaOSC2、CaSE、CaSS |
| 重楼 | 重楼皂苷 | CYP90B52、CYP72A616、CYP94D108、CYP94D109 |
2 植物UGT的家族分布与结构功能特征研究进展
植物尿苷二磷酸（UDP）依赖型糖基转移酶（UGTs）属于碳水化合物活性酶（CAZy）数据库中的GT1家族，是植物界中成员最多、功能最多样的糖基转移酶家族之一。UGTs在植物生长、发育、次生代谢以及响应生物和非生物胁迫中扮演着核心角色，其通过糖基化修饰，改变底物分子的生物活性、稳定性、溶解性及在细胞内的定位。
2.1 UGT的家族分布与系统进化
UGT基因家族在植物界分布广泛且经历了显著的谱系特异性扩张。一项对从早期藻类到被子植物的28个代表性物种的系统发育分析表明，在被子植物进化历程中，A、D、E、G、L等系统发育组经历了显著扩张。不同植物物种间UGT家族的数量和组成差异巨大，体现了其功能的多样性和物种适应性。在葡萄中，最终鉴定出230个VvUGT家族成员(图1)，它们不均匀地分布在除chr10外的17条染色体上，并在系统发育树上被分为16个组（A～P组），其中E组和L组成员最多。这些研究揭示了UGT家族的进化动态及其与植物特定性状形成的内在联系。
2.2 UGT蛋白的结构与功能特征
UGT蛋白在结构上具有共同特征，其C末端通常含有一个保守的植物次级代谢产物糖基转移酶（PSPG）基序（box），这是识别和结合UDP-糖基供体的关键区域。该基序的氨基酸组成存在物种特异性差异，直接影响酶的糖基供体偏好性。如单子叶植物PSPG基序的脯氨酸/丝氨酸比例较双子叶植物更高，导致其更偏好UDP-葡萄糖。催化机制研究表明，UGT的活性位点存在独特的“双活性位点”模式，底物结合口袋与糖基供体结合口袋之间存在约15A的间距，这种空间分离使酶能够协调多步糖基转移过程。
3参与植物活性成分生物合成UGT的研究进展
植物尿苷二磷酸糖基转移酶(uridine diphosphate glycosyltransferase,UGT)属于糖基转移酶一号家族(GT family1),主要以植物中最常见的尿苷二磷酸(UDP)-糖类为活化糖基分子供体,以类黄酮、酚酸、萜类以及植物激素等小分子化合物为糖基受体。其在调节植物激素平衡、内外源物质的解毒以及防御反应和次生代谢产物的修饰方面发挥着重要作用。目前已研究发现多个UGT参与植物活性成分的生物合成（表1）。
3.1 大豆
豆科植物中，大豆（G.max）的GmUGT88E19能够催化大豆苷元形成7-O-葡萄糖苷，还可催化表儿茶素的3'-O-葡萄糖基化。
3.2 拟南芥
拟南芥（A.thaliana）中，UGT78D1、UGT78D2和UGT78D3都是以槲皮素和山奈酚为底物的3-O-糖基转移酶，只是对糖供体的选择有所不同。UGT78D1催化UDP-鼠李糖向槲皮素和山奈酚的3-OH转移，UGT78D2将UDP-葡萄糖转移到山奈酚和槲皮素上。UGT78D3能将槲皮素转化为槲皮素3-O-阿拉伯糖。UGT78D3对黄酮醇苷元和UDP-阿拉伯糖具有严格的底物特异性。
3.3 厚朴
UGT1A1、UGT1A3、UGT1A7、UGT1A8、UGT1A9和UGT2B7能够催化厚朴酚的葡萄糖醛酸结合代谢，其中UGT2B7在催化过程中起最主要的作用。
3.4 番茄
番茄果实成熟过程中，SIUGT75C1、SIUGT73C4、SIUGT76E1三个基因高度表达，脱落酸（ABA）对其表达有诱导作用。SIUGT75C1重组蛋白可在体外催化ABA与尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的结合，生成ABA‐葡萄糖酯（ABA‐GE），表明UGT可能通过影响果实中ABA的含量，控制果实成熟，参与多糖生物合成。对其总结如表2所示。
| 植物 | 相关UGT基因 |
|---|---|
| 拟南芥 | UGT78D1 |
| 番茄 | SIUGT75C1 |
| 罗汉果 | UGT74AC1 |
| 人参 | PgUGT1 |
| 大豆 | GmUGT88E19 |
| 厚朴 | UGT2B7 |
4 UGT的生物信息学鉴定方法与应用
4.1 全基因组鉴定与系统分析
对目标物种进行全基因组UGT家族鉴定是研究的起点。通常，研究者利用隐马尔可夫模型（HMM）搜索，以糖基转移酶保守结构域（如PF00201）为查询，从基因组或转录组中筛选候选基因。在红枫的研究中，通过全基因组鉴定，共发现249个ArUGT基因，并构建了包含拟南芥已知UGT的系统发育树，将其分为18个不同的亚群。以及在辣椒中鉴定出140个辣椒UGT家族成员，并分析了其理化性质、系统发育关系和染色体分布。这些分析揭示了UGT基因家族的扩张主要受串联重复和片段化复制事件驱动，且成员在染色体上分布不均。
4.2 表达模式与功能关联分析
结合转录组学与代谢组学数据，是关联UGT基因表达与特定代谢通路的关键策略。通过分析基因在不同组织、发育阶段或胁迫处理下的表达谱，可以筛选出与目标代谢物积累相关的候选UGT。例如，对红花的研究通过代谢组和转录组分析，筛选出3个与黄酮糖苷积累相关的差异表达UGT基因，并最终鉴定出CtUGT3是紫云英苷生物合成的关键酶。在红枫中，通过比较不同颜色叶片和低温胁迫下的转录组，发现ArUGT52在红色叶片和低温胁迫下的高表达基因中都很常见。对野菊的研究也通过比较花和叶组织的转录组与代谢组，筛选出可能与7-O-黄酮苷合成相关的UGT基因。
4.3 基于结构与机器学习的挖掘与预测
对于大量未被表征的UGT，基于蛋白结构的虚拟筛选和机器学习模型成为高效挖掘其功能的新兴工具。有研究开发了植物UGT综合数据库，并发现催化口袋和底物之间存在着更强的正相关关系（R²=0.5174），据此开发了能够将功能UGT挖掘的筛选范围从数百个降到10个以内。一项关于红景天苷生物合成的研究则成功整合全长转录组测序与基于RoseTTAFold预测蛋白结构的虚拟筛选，从落新妇中快速鉴定出高效合成红景天苷的UGT（Ach15909）。在药物代谢领域，针对人源UGT2B7和UGT2B15，研究者结合分子对接、分子动力学模拟和随机森林算法，开发了能预测其代谢反应的机器学习模型，将基于配体和基于结构的方法结合，提升了预测准确性。
UGT的生物信息学鉴定已形成从全基因组筛选、表达模式关联到结构功能预测的完整技术体系。这些方法极大地加速了UGT新功能的发现，并为合成生物学和药物研发提供了重要的基因元件与理论依据。
5 总结与展望
植物活性成分作为具重要应用价值的次生代谢产物，其生物合成途径已逐步解析，UDP-糖基转移酶（UGT）作为糖基化修饰的核心催化酶，其结构特征、底物特异性及在不同植物中的功能已得到广泛研究，生物信息学技术更推动了UGT基因的高效鉴定与功能预测。然而，UGT的底物杂泛性给功能精准解析带来挑战，部分活性成分合成的调控网络尚未完全明晰，且UGT分子改造与产业化应用仍存在差距。基于以上研究，采用多组学联合分析、AI辅助结构预测与定向进化相结合的策略有望突破瓶颈。推测可通过深入挖掘新型UGT基因、解析其与代谢通路的协同作用，可实现植物活性成分的定向改良与高效合成，为天然产物的规模化、绿色化生产提供技术支撑，进而推动医药、食品等领域的创新发展，助力天然产物资源的深度开发与利用。
参考文献：
- [1] Wang S, Zhao B, Ma X,et al. Recent advances in polysaccharides from cornus officinalis: Extraction, purification, structural features, and bioactivities[J]. Foods,2025,14(08):1415.
- [2] Ritika, Rizwana, Shukla S, et al. Valorisation of fruit waste for harnessing the bioactive compounds and its therapeutic application[J]. Trends in food science & technology,2024,144:104302.
- [3] Zhao X, Ge W, Miao Z. Integrative metabolomic and transcriptomic analyses reveals the accumulation patterns of key metabolites associated with flavonoids and terpenoids of Gynostemma pentaphyllum (Thunb.) Makino[J]. Scientific reports,2024,14(01):8644.
- [4] Wen C, Wu H C, Ouyang W H, et al. Exploring the catalytic flexibility and reversibility of plant glycosyltransferase HtUGT72AS1 for glycodiversification of phenolic compounds[J]. Journal of agricultural and food chemistry,2023,71(23):8998-9008.
- [5] Ouyang L, Liu Y, Yao R, et al. Genome-wide analysis of UDP-glycosyltransferase gene family and identification of a flavonoid7-O-UGT (AhUGT75A) enhancing abiotic stress in peanut (Arachis hypogaea L.)[J]. BMC plant biology,2023,23(01):626.
- [6] Song W, Wang Y, LI G, et al. Modulating the gut microbiota is involved in the effect of low-molecular-weight Glycyrrhiza polysaccharide on immune function[J]. Gut microbes,2023,15(02):2276814.
- [7] Zhong M, Yan Y, Yuan H, et al. Astragalus mongholicus polysaccharides ameliorate hepatic lipid accumulation and inflammation as well as modulate gut microbiota in NAFLD rats[J]. Food and function,2022,13(13):7287-7301.
- [8] 郝桂娟, 张凯, 王旭荣, 等. 来源于益生菌FGM的aga2基因在黄芪发酵过程中的表达[J]. 畜牧兽医学报,2013,44(04):642-648.
- [9] 周佩娜, 陈斌, 束成杰, 等. 积雪草三萜类成分生物合成研究进展[J]. 中国中药杂志,2025,50(03):609-619.
- [10] 薛海洁, 孙文涛,赵雨佳, 等. 微生物合成植物三萜及其皂苷化合物[J]. 生物产业技术,2019(01):19-26.
- [11] 罗祖良, 张凯伦, 马小军, 等. 三萜皂苷的合成生物学研究进展[J]. 中草药,2016,47(10):1806-1814.
- [12] Miettinen K, Pollier J, Buyst D, et al. The ancient CYP716 family is a major contributor to the diversification of eudicot triterpenoid biosynthesis[J]. Nature communications,2017,8:1-13.
- [13] 林琛, 王斌, 刘巨钊, 等. 积雪草化学成分和药理作用研究进展及其质量标志物预测分析[J]. 中医药信息,2023,40(08):70-77.
- [14] 曲别阿香, 曲别军长,俸明康, 等. 基于转录组挖掘球药隔重楼螺甾烷型重楼皂苷生物合成相关基因[J]. 中草药,2023,54(20):6798-6812.
- [15] 徐永艳. 滇重楼种源筛选与皂苷合成及相关基因鉴别[D]. 中国林业科学研究院,2019.
- [16] 田晓黎, 江丽洁, 崔琦, 等. 不同激素诱导对华重楼皂苷合成关键酶基因表达的影响[J]. 浙江农业科学,2023,64(04):856-863.
- [17] 王媛媛, 刘云清, 徐晶宇, 等. 葡萄UDP-糖基转移酶家族的全基因组表征、进化和表达分析[J]. 食品科学,2025,46(14):134-146.
- [18] Wang J, Hu Y, Guo D, et al. Evolution and functional divergence of glycosyltransferase genes shaped the quality and cold tolerance of tea plants[J]. The plant cell,2025,37(01): koae268.
- [19] Verma B, Arora P, Hussain S, et al. UGT708 glycosyltransferases: Nature's architects of C-glycosides[J]. Biotechnology advances,2025:108787.
- [20] 于安东, 刘琳, 龙瑞才, 等. 植物UDP-糖基转移酶(UGT)的功能及应用前景[J]. 植物生理学报,2022,58(04):631-642.
- [21] 秦晶晶, 孙春玉, 张美萍, 等. 植物UDP-糖基转移酶分类、功能以及进化[J]. 基因组学与应用生物学,2018,37(01):440-450.
- [22] Yin Q G, Shen G A, Di S K, et al. Genome-wide identification and functional characterization of UDP-glucosyltransferase genes involved in flavonoid biosynthesis in Glycine max[J]. Plant and cell physiology,2017,58(09):1558-1572.
- [23] 姚宇, 顾佳珺, 孙超, 等. 植物类黄酮UDP-糖基转移酶研究进展[J]. 生物技术通报,2022,38(12):47-57.
- [24] 陈秉松, 周迎, 王昭昕, 等. 植物天然产物的葡萄糖醛酸苷生物合成的研究进展[J]. 中草药,2022,53(06):1875-1890.
- [25] 纪凯. 脱落酸葡糖基转移酶参与果实成熟过程[D]. 中国农业大学,2014.
- [26] Kamal K A, Shah F A, Zhao Y, et al. Genome-wide identification of the UGT genes family in Acer rubrum and role of ArUGT52 in anthocyanin biosynthesis under cold stress[J]. BMC plant biology,2025,25(01):288.
- [27] 吴慧琴, 王延宏, 刘涵, 等. 辣椒UGT基因家族的鉴定及表达分析[J]. 生物技术通报,2024,40(09):198-211.
- [28] Ren C, Xi Z, Xian B, et al. Identification and characterization of CtUGT3 as the key player of astragalin biosynthesis in carthamus tinctorius L[J]. Journal of agricultural and food chemistry,2023,71(43):16221-16232.
- [29] 廖家豪, 陈诗, 刘迪, 等. 野菊尿苷二磷酸糖基转移酶(UGT)基因家族的全基因组鉴定和表达分析[J]. 中国中药杂志,2024,49(03):702-716.
- [30] Liu Y, Wang Q, Liu X, et al. pUGTdb: A comprehensive database of plant UDP-dependent glycosyltransferases[J]. Molecular plant,2023,16(04):643-646.
- [31] Yao Y, Chen F, Wu C, et al. Structure-based virtual screening aids the identification of glycosyltransferases in the biosynthesis of salidroside[J]. Plant biotechnology journal,2025,23(05):1725-1735.