苯丙氨酸解氨酶

生物信息學(xué)Ｃｈｉｎａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ 專論與綜述

苯丙氨酸代謝途徑關(guān)鍵酶：ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ研究新進(jìn)展

李莉，趙越 ，馬君蘭

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱１５００３０）

摘要：主要闡述了苯丙氨酸代謝途徑ｔｚ－種關(guān)鍵酶：苯丙氨酸解氨酶（ＰＡＬ）、肉桂酸４一羥基化酶（Ｃ４Ｈ）、４一香豆酸輔酶Ａ連

接酶（４ＣＬ）的研究進(jìn)展，希望能為研究植物次生代謝途徑的研究工作者提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：次生代謝：苯丙氨酸解氨酶（ＰＡＬ）；肉桂酸４一羥基化酶（Ｃ４Ｈ）；４一香豆酸輔酶Ａ連接酶（４ｃＬ）

中圖分類號：Ｑ５９１ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ 文章編號：１６７２—５５６５（２００ｒ７）一０４—１８７—０３

Ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｋｅｙ ｅｎｚｙｍｅｓ：ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ

ｏｆ ｐｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｐａｔｈｗａｙ

Ｕ ｌｉ，ＺＨＡＯ Ｙｕｅ ，ＭＡ Ｊｕｎ—ｌａｎ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ如 ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ ｗ ￡ 疵 ，Ｈａｒｂｉｎ１５００３０，Ｏｔｉｎａ）

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ｉｎｇ ｏｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ￥Ｏｍｅ ｈｅｌｐｓ．

Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｓｅ（ｍｄａｒｙ船ｔａｂ０ｌｉｓｎ１；Ｐｈ唧心ａｎｉｌ１ｅ ａｎｔｍｎｉａｌｙａｓ（Ｐ ）；Ｃｉｕｎｍｒｍｔｅ４一ｈｙｄｒｃ ａｓｅ（Ｃ４Ｈ）；４－Ｃａｒｏｍ－ａｔｅ：￣ｍｚｙｍｅ Ａ ｌｌｇａｓｅ（４ ）

植物的代謝分為初級代謝和次級代謝。植物的次級代謝 酸和氨生成Ｌ一苯丙氨酸（Ｌ－－ｐｈｅｎ￣ａｌａｎｉｎｅ）。利用ＰＡＬ這

有多條途徑，苯丙氨酸代謝途徑，從碳流的角度來看，是植物最 種逆向催化特性生產(chǎn)卜苯丙氨酸，成為當(dāng)前生物化工領(lǐng)域

重要的次生代謝途徑之一。在一個(gè)細(xì)胞中，有２０％以上的代謝 研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。

會通過這條途徑，該代謝途徑的重要性在于：一切含苯丙烷骨架 １．１．２ ＰＡＬ的基本特性

的物質(zhì)都是由這一途徑直接或間接生成。莽草酸途徑產(chǎn)生的類Ｐ 己從許多植物組織中純化和分離，不同來源的ＰＡＬ結(jié)

黃酮、木質(zhì)素等次生物質(zhì)在植物抗逆境、抗病害上有非常重要的 構(gòu)、分子量等均不盡相同，但總的來說其分子量約為２４０

作用。近年來，越來越多的科學(xué)工作者把眼光投放到苯丙氨酸 ３３０ｋＤ，可解離為５５ ８５ｋＤ的亞基，全酶為４個(gè)相同亞基構(gòu)成的

代謝途徑關(guān)鍵酶的研究，因?yàn)檎{(diào)節(jié)這些酶的表達(dá)活性，有效地調(diào) 四聚體。不同植物中ＰＡＬ的氨基酸組成不同，如水稻中的ＰＡＬ

節(jié)與之相應(yīng)的次級代謝產(chǎn)物的生物合成，培育出適合人類生產(chǎn) 酸性成分少于／Ｊ、麥、玉米、馬鈴薯，而中性成分高于以上三種植

生活需要的植物新品種，如低木質(zhì)素含量的造紙?jiān)蠘浞N、高異 物。Ｐ虬沒有單一的Ｋｍ值，一般在１０～ １０ 之間。ＰＡＬ的活

黃酮含量的大豆品種等。 性中心部位具有脫氫丙氨?；挠H電中心。

１．１．３ ＰＡＬ基因的結(jié)構(gòu)

１ ＰＡＬ、ＣＡＨ、４ＣＬ研究的新進(jìn)展

１．１ 苯丙氨酸解氨酶（ ａ１ａＩ】ｉｌ１ｅ舭蚴衄ｉａｌｙａｓ，ＰＡＬ）

１．１．１ ＰＡＬ的作用

在次生代謝酶類中，ＰＡＬ是研究較多、較早（Ｋｏｕｋｏｌ，

１９６１）、最詳盡的酶，它使植物的次生代謝與初生代謝聯(lián)系起

來。該酶行使功能時(shí)不需要輔助因子參與，最適ｐＨ８．８（個(gè)

別大于９），它催化苯丙氨酸途徑中的第一步反應(yīng)，通過一個(gè)

非氧化脫氨基作用把苯丙氨酸轉(zhuǎn)變成肉桂酸（ｃｉｎｎａｍｌｎ ａｃｉｄ）

和氨；當(dāng)過量的氨存在，且ｐＨ為１０—１０．５時(shí)，ＰＡＬ催化肉桂

多數(shù)被子植物中，ＰＡＬ亞基通常由小型基因家族編碼

（一般２—５個(gè)成員），這些基因家族又可分成２或３個(gè)亞族。

該酶在所有的植物中都有。

１．１．４ ＰＡＬ基因的表達(dá)調(diào)控

１．１．４．１內(nèi)部調(diào)節(jié)

首先，發(fā)育調(diào)節(jié)，ＰＡＬ酶活性隨植物生長發(fā)育過程推進(jìn)

而不斷地變化。其次，ＰＡＬ鈍化因子和調(diào)節(jié)因子的調(diào)控，植

物體內(nèi)有一種ＰＡＬ的內(nèi)源性抑制物質(zhì)（ＰＡＬ—ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ，ＰＡＬ—

Ｉ）參與了ＰＡＬ活性的調(diào)節(jié)。最后，末端產(chǎn)物調(diào)節(jié)，ＰＡＬ的抑

制劑有許多種類，包括肉桂酸、對一香豆酸、以及某些氨基酸

收稿日期：２００５—１２—１６；修回１３期：２００６—０３—１６

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳資助課題（編號為１０５５１０２４）

作者簡介：李莉（１９７８一），女，在讀碩士，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)．Ｅ—ｍａｌｌ：ｌｉｌｙ．ｍｕ６９５＠ｓｏｈｕ．（ｇｇｎ

＊通訊作者：趙越（１９７Ｏ一），女，碩士生導(dǎo)師。

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１８８ 生 物 信 息 學(xué) 第５卷

如組氨酸、色氨酸等，另外不同來源的ＰＡＬ對同一種類抑制

劑的敏感性不同。

１．１．４．２外部調(diào)節(jié)

ＰＡＬ是一種誘導(dǎo)酶，可以受多種外界因素的誘導(dǎo)。各種

類型的低溫、機(jī)械損傷、光（白光、藍(lán)光、紅光、紫外光）、病原

菌感染、毒素處理和昆蟲取食都可以誘導(dǎo)ＰＡＬ基因的表達(dá)，

這種誘導(dǎo)是在轉(zhuǎn)錄水平上的誘導(dǎo)，并具有組織特異性。生長

素（ＩＡＡ）、激動素（ＢＡＰ）和乙烯（乙烯利）也都可誘導(dǎo)植物ＰＡＬ

基因的表達(dá)，刺激效應(yīng)乙烯＞ＩＡＡ＞ＢＡＰ。也有研究表明，各

種因子對ＰＡＬ的誘導(dǎo)存在著互作關(guān)系，如在切傷誘導(dǎo)甘薯

塊根切片ＰＡＬ活性增高時(shí)，Ｌ 、ＢＡＰ、乙烯能使ＰＡＬ的活性

進(jìn)一步增加；且ＢＡＰ的效應(yīng)又可因被照光而增強(qiáng)。

另外，在苯丙烷代謝途徑中，ＰＡＬ催化反應(yīng)曾被認(rèn)為是

限速步驟，因?yàn)橐恍┳C據(jù)表明，抑制該酶及其基因表達(dá)會引

起苯丙酸的積累（Ｃａｍｍ ａｎｄ Ｔｏｗｅｒｓ，１９７３）。然而Ａｎｔｅｒｏｌａ等

（Ａｎｔｅｒｏｌａ ｅｔ ａｌ，２００２）對松樹懸浮細(xì)胞系的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著

培養(yǎng)基中苯丙酸濃度增高，會引起ＰＡＬ，４ＣＬ等酶活性升高。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在光照條件下大豆ＰＡＬ表達(dá)量比黑暗條

件下高，隨著處理時(shí)間的延長，其ｍＲＮＡ的量和酶活性增加，

但是在次級代謝產(chǎn)物（如異黃酮）的積累水平上，這都表明在

這個(gè)過程中ＰＡＬ可能為非限速酶。

１．２ ＣＡＨ的研究進(jìn)展

１．２．１ ＣＡＨ的作用

ＣＡＨ是第一個(gè)被鑒定的植物Ｐ４５０單加氧酶（Ｒｕｓｓｅｌｌ Ｄ

Ｗ，１９６７，１９７１），也是第一個(gè)既被克隆、又確定了功能的植物

Ｐ４５０酶，與其他Ｐ４５０相比，ＣＡＨ具有在植物的各組織中均具

有很高活性的特點(diǎn)（Ｆａｈｒｅｎｄｏｒｆ ｅｔ ａｌ，１９９３，Ｍｉｚｕｔａｎｉ Ｍ ｅｔ ａｌ，

１９９３，Ｔｅｕｔｓｃｈ Ｈ Ｇ ｅｔ ａｌ，１９９３）。該酶行使功能需氧且依賴

ＮＡＤＰＨ，它催化苯丙氨酸途徑的第二步反應(yīng)，同時(shí)是也該途

徑的第一個(gè)氧化反應(yīng)，在肉桂酸的對位點(diǎn)上催化位置特異性

的羥化反應(yīng)，將反式肉桂酸催化生成對一香豆酸。

１．２．２ ＣＡＨ基因的結(jié)構(gòu)

動物中Ｐ４５０的結(jié)構(gòu)與表達(dá)已經(jīng)有較多的了解。然而植

物Ｐ４５０的功能及表達(dá)特征卻知道得不多。

目前至少有２０種ＣＡＨ基因從植物中分離。同ＰＡＬ基因

一樣，ＣＡＨ基因拷貝數(shù)在不同植物中也是不同的。苜蓿有兩

個(gè)ＣＡＨ基因，豌豆（Ｈｓｕｍｓａｆｉｖｕｍ）只有一個(gè)拷貝，綠豆和長春

花（Ｃａｔｈａｒａｎｔｈｕｓｒｏｓｅｕｓ）的ＣＡＨ是由多個(gè)拷貝組成的一個(gè)小的

基因家族。這些基因編碼的氨基酸序列同源性普遍較高約

８５％。但其中來自玉米和法國菜豆的兩個(gè)序列例外。同源性

僅達(dá)６０％（Ｐｏｔｔｅｒ ｅｔ ａｌ，１９９５；Ｎｅｄｅｌｋｉｎａ ｅｔ ａｌ，１９９９）。另外，對已

發(fā)表的ＣＡＨ啟動子序列進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)啟動子大約１．１ｋｂ

（Ｋａｗａｉ ｅｔ ａｌ，１９９６）

１．２．３ ＣＡＨ基因的表達(dá)調(diào)控

ＣＡＨ的表達(dá)與植物的木質(zhì)化進(jìn)程密切相關(guān)（Ｃｈａｐｐｌｅ。

１９９８）。歐芹中ＣＡＨ表達(dá)模式研究結(jié)果顯示，該酶在維管束

發(fā)達(dá)的花梗中表達(dá)豐富，在幼葉和老葉中不表達(dá)（Ｋｏｏｐｍａｎｎ

ｅｔ ａｌ，１９９９）；擬南芥中ＣＡＨ基因于正在木質(zhì)化的細(xì)胞中表達(dá)

最強(qiáng)（Ｂｅｌｌ—Ｌｅｌｏｎｇ ｅｔ ａｌ，１９９７）。

人們在對ＣＡＨ功能的研究中發(fā)現(xiàn)，在植物的生長發(fā)育

過程中以及各種外界因子，如激發(fā)子、真菌感染、機(jī)械損傷及

化學(xué)誘導(dǎo)子等刺激下，其編碼基因ｍＲＮＡ積累水平的變化趨

勢與ＰＡＬ趨于一致。

１．３ ４ＣＬ的研究進(jìn)展

１．３．１ ４ＣＬ的作用

４ＣＬ作用于苯丙酸途徑中最后一步反應(yīng)，催化各種羥基

肉桂酸生成相應(yīng)的硫酯，這些硫酯處于苯丙酸代謝途徑和各

種末端產(chǎn)物特異合成途徑的分支點(diǎn)。以前認(rèn)為４ＣＬ主要以

香豆酸、咖啡酸和阿魏酸為催化底物，不以芥子酸為底物

（Ｅｈｌｔｉｎｇ ｅｔ ａｌ，１９９９；Ｈｕ ｅｔ ａｌ，１９９９；Ａｌｌｉｎａ ｅｔ ａｌ，１９９８），由此推測

ｓ木質(zhì)素的合成途徑可能并不經(jīng)過芥子酸（魏建華和宋艷

茹，２００１）。然而Ｌｉｎｄｅｒｍａｙｒ等（Ｌｉｎｄｅｒｍａｙｒ ｅｔ ａｌ，２００２）從大豆

中分離了一種４ＣＬ同工酶，它芥子酸為底物催化分成芥子酞

一輔酶Ａ。另外Ｙａｍａｕｅｈｉ等（Ｙａｍａｕｅｈｉ ｅｔ ａｌ，２００３）以四種植

物為研究對象，進(jìn)行放射性同位素示蹤實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明洋槐

和夾竹桃中的芥子酸可最終生成芥子醇，而在擬南芥和木蘭

中卻不能。這一結(jié)果揭示出被子植物中４ＣＬ催化底物特異

性因植物種類而異。

１．３．２ ４ＣＬ基因的結(jié)構(gòu)

Ｖｏｏ等（１９９５）從火炬松木質(zhì)部中克隆出了一個(gè)４ＣＩ．ｃ．

ＤＮＡ，編碼６４ｋＩ）多肽；ｌ－Ｉａｕｆｅ等從荷蘭芹中分離出的４ＣＬ１基

因及舊動子，可在植物莖中特異表達(dá)，現(xiàn)已將４ＣＬ基因從大

豆、松樹、歐芹、楊樹等幾種植物中克隆出來，對所有已知植

物４ＣＬ的系統(tǒng)樹分析表明，４ＣＬ１屬于一個(gè)簇，而４ＣＬ２則屬

于另外一個(gè)簇。

１．３．３ ４ＣＬ同功酶的研究

４ＣＬ通常以基因家族形式存在，其同工酶具有不同的底

物特異性和時(shí)空表達(dá)特性，具有各自的生理功能。在顫楊

中，Ｐｔ４ＣＬ１參與木質(zhì)素的生物合成途徑，Ｐｔ４ＣＬ２則參與類黃

酮的形成（Ｈｕ ｅｔ ａｌ，１９９８）；在大豆中存在四個(gè)同工酶，

Ｇｍ４ＣＬ１和Ｇｍ４ＣＬ２參與植物的生長和發(fā)育，Ｇｍ４ＣＩ．３和

Ｇｍ４ＣＩＡ則對外界環(huán)境因子產(chǎn)生響應(yīng)（Ｌｉｎｄｅｒｍａｙｒ ｅｔ ａｌ，２００２）。

２應(yīng)用前景及分子生物學(xué)展望

２．１應(yīng)用前景

由于生產(chǎn)和保健的需要，植物抗病育種，生物活性成分

成為現(xiàn)代生物技術(shù)的焦點(diǎn)之一。開展對ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ酶基

因作用機(jī)制，表在部位和時(shí)空表達(dá)模式的研究，將再利于我

們進(jìn)一步研究它們的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理、改變表達(dá)活性。一

方面，提高植物抗性，既可減少生產(chǎn)上經(jīng)濟(jì)損失，又可減少農(nóng)

藥等對人類健康以及生態(tài)環(huán)境的損害；另一方面，富集特定

目的次生代謝產(chǎn)物，經(jīng)過苯丙烷代謝途徑的許多次生代謝產(chǎn)

物是天然的、對許多重大疾病有獨(dú)特療效的活性成分。在醫(yī)

療保健具有不可替代的作用（如異黃酮等）。另外，可通過調(diào)

控酚類物質(zhì)代謝影響色澤發(fā)育，因此有理由相信，利用分子

生物學(xué)技術(shù)能大規(guī)模的改變花及果實(shí)的色澤，從而改良植物

的品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效宜。

２．２分子生物學(xué)展望

隨著分子生物學(xué)尤其是基因測序技術(shù)的不斷發(fā)展，更多

不同來源的Ｐ＾ＪＬ、ＣＡＨ、４ＣＬ基因序列將被克隆和測序，通過

分別與已知基因序列的比較分析，能夠從分子水平上揭示它

們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而為更好的改造這些基因，改變它們的表

達(dá)活性提供更多的基礎(chǔ)資料。對于涉及多個(gè)基因表達(dá)的植

物次生代謝，同時(shí)增強(qiáng)多個(gè)基因的協(xié)同表達(dá)是提高次生代謝

物產(chǎn)量所必需的。人們在對這三種酶編碼基因的啟動于序

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第４期 李 莉，等：苯丙氨酸代謝途徑關(guān)鍵酶：ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ研究新進(jìn)展 １８９

列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，它們的啟動子序列中具有一些共同的順式

作用元件（Ｌｏｇｅｍａｎｎ ｅｔ ａｌ，１９９５；Ｂｅｌｌ—ｌｅｌｏｎｇ ｅｔ ａｌ，１９９７；Ｍｉｚｕｔａｎｉ

ｅｔ ａｌ，１９９７），這為實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)多個(gè)基因的協(xié)同表達(dá)提供了可

行性。

總之，進(jìn)一步開展對ＰＡＬ、ＣＡＨ、４ＣＬ酶基因作用機(jī)制、表

達(dá)部位和時(shí)空表達(dá)模式的研究，將利于我們進(jìn)一步研究它們

的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理，并用之轉(zhuǎn)化植物使之按照人們的意愿

在轉(zhuǎn)基因植物中大量持久地表達(dá)，從而增強(qiáng)植物對病害的廣

譜持久抗性，提高特定次生代謝產(chǎn)物（比如大豆異黃酮）的含

量等，更好地為人類服務(wù)，這也將是今后研究的焦點(diǎn)之一。

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［１３］Ｈｏｎｇ Ｗ（洪梅），（：ｈｅｎ ｗＪ（陳偉京），ｕ Ｄ（李丹），Ｌｕ ｓＤ（盧圣

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