苯丙氨酸解氨酶

生物信息学Ｃｈｉｎａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ 专论与综述

苯丙氨酸代谢途径关键酶：ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ研究新进展

李莉，赵越 ，马君兰

（东北农业大学生命科学学院，哈尔滨１５００３０）

摘要：主要阐述了苯丙氨酸代谢途径ｔｚ－种关键酶：苯丙氨酸解氨酶（ＰＡＬ）、肉桂酸４一羟基化酶（Ｃ４Ｈ）、４一香豆酸辅酶Ａ连

接酶（４ＣＬ）的研究进展，希望能为研究植物次生代谢途径的研究工作者提供一些帮助。

关键词：次生代谢：苯丙氨酸解氨酶（ＰＡＬ）；肉桂酸４一羟基化酶（Ｃ４Ｈ）；４一香豆酸辅酶Ａ连接酶（４ｃＬ）

中图分类号：Ｑ５９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：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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ｎｌｏｌ￣ａｎｄ ｎｌｏｌ￣ｐｅｍｏｎｓ ｂｅｃａｕ￥ｅ ｉｔｓ ｏｕｔｃｏｍｅ ｈａｖｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｂｉｏｌｏｇｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ｓｕｃｈ ａ８ ｉｓｏｆｌａｖｏｎｅ ｅｔｃ．）． ｎ１ｉｓ ｔｅｘｔ ｍａｉｎｌｙ ｅｌａｈｏｒａｔｅｄ￥ｏｎｌｅ ｒｅｃｅｎｔ

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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 ）

植物的代谢分为初级代谢和次级代谢。植物的次级代谢 酸和氨生成Ｌ一苯丙氨酸（Ｌ－－ｐｈｅｎ￣ａｌａｎｉｎｅ）。利用ＰＡＬ这

有多条途径，苯丙氨酸代谢途径，从碳流的角度来看，是植物最 种逆向催化特性生产卜苯丙氨酸，成为当前生物化工领域

重要的次生代谢途径之一。在一个细胞中，有２０％以上的代谢 研究与开发的热点。

会通过这条途径，该代谢途径的重要性在于：一切含苯丙烷骨架 １．１．２ ＰＡＬ的基本特性

的物质都是由这一途径直接或间接生成。莽草酸途径产生的类Ｐ 己从许多植物组织中纯化和分离，不同来源的ＰＡＬ结

黄酮、木质素等次生物质在植物抗逆境、抗病害上有非常重要的 构、分子量等均不尽相同，但总的来说其分子量约为２４０

作用。近年来，越来越多的科学工作者把眼光投放到苯丙氨酸 ３３０ｋＤ，可解离为５５ ８５ｋＤ的亚基，全酶为４个相同亚基构成的

代谢途径关键酶的研究，因为调节这些酶的表达活性，有效地调 四聚体。不同植物中ＰＡＬ的氨基酸组成不同，如水稻中的ＰＡＬ

节与之相应的次级代谢产物的生物合成，培育出适合人类生产 酸性成分少于／Ｊ、麦、玉米、马铃薯，而中性成分高于以上三种植

生活需要的植物新品种，如低木质素含量的造纸原料树种、高异 物。Ｐ虬没有单一的Ｋｍ值，一般在１０～ １０ 之间。ＰＡＬ的活

黄酮含量的大豆品种等。 性中心部位具有脱氢丙氨酰基的亲电中心。

１．１．３ ＰＡＬ基因的结构

１ ＰＡＬ、ＣＡＨ、４ＣＬ研究的新进展

１．１ 苯丙氨酸解氨酶（ ａ１ａＩ】ｉｌ１ｅ舭蚴衄ｉａｌｙａｓ，ＰＡＬ）

１．１．１ ＰＡＬ的作用

在次生代谢酶类中，ＰＡＬ是研究较多、较早（Ｋｏｕｋｏｌ，

１９６１）、最详尽的酶，它使植物的次生代谢与初生代谢联系起

来。该酶行使功能时不需要辅助因子参与，最适ｐＨ８．８（个

别大于９），它催化苯丙氨酸途径中的第一步反应，通过一个

非氧化脱氨基作用把苯丙氨酸转变成肉桂酸（ｃｉｎｎａｍｌｎ ａｃｉｄ）

和氨；当过量的氨存在，且ｐＨ为１０—１０．５时，ＰＡＬ催化肉桂

多数被子植物中，ＰＡＬ亚基通常由小型基因家族编码

（一般２—５个成员），这些基因家族又可分成２或３个亚族。

该酶在所有的植物中都有。

１．１．４ ＰＡＬ基因的表达调控

１．１．４．１内部调节

首先，发育调节，ＰＡＬ酶活性随植物生长发育过程推进

而不断地变化。其次，ＰＡＬ钝化因子和调节因子的调控，植

物体内有一种ＰＡＬ的内源性抑制物质（ＰＡＬ—ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ，ＰＡＬ—

Ｉ）参与了ＰＡＬ活性的调节。最后，末端产物调节，ＰＡＬ的抑

制剂有许多种类，包括肉桂酸、对一香豆酸、以及某些氨基酸

收稿日期：２００５—１２—１６；修回１３期：２００６—０３—１６

基金项目：黑龙江省教育厅资助课题（编号为１０５５１０２４）

作者简介：李莉（１９７８一），女，在读硕士，研究方向：生物化学与分子生物学．Ｅ—ｍａｌｌ：ｌｉｌｙ．ｍｕ６９５＠ｓｏｈｕ．（ｇｇｎ

＊通讯作者：赵越（１９７Ｏ一），女，硕士生导师。

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１８８ 生 物 信 息 学 第５卷

如组氨酸、色氨酸等，另外不同来源的ＰＡＬ对同一种类抑制

剂的敏感性不同。

１．１．４．２外部调节

ＰＡＬ是一种诱导酶，可以受多种外界因素的诱导。各种

类型的低温、机械损伤、光（白光、蓝光、红光、紫外光）、病原

菌感染、毒素处理和昆虫取食都可以诱导ＰＡＬ基因的表达，

这种诱导是在转录水平上的诱导，并具有组织特异性。生长

素（ＩＡＡ）、激动素（ＢＡＰ）和乙烯（乙烯利）也都可诱导植物ＰＡＬ

基因的表达，刺激效应乙烯＞ＩＡＡ＞ＢＡＰ。也有研究表明，各

种因子对ＰＡＬ的诱导存在着互作关系，如在切伤诱导甘薯

块根切片ＰＡＬ活性增高时，Ｌ 、ＢＡＰ、乙烯能使ＰＡＬ的活性

进一步增加；且ＢＡＰ的效应又可因被照光而增强。

另外，在苯丙烷代谢途径中，ＰＡＬ催化反应曾被认为是

限速步骤，因为一些证据表明，抑制该酶及其基因表达会引

起苯丙酸的积累（Ｃａｍｍ ａｎｄ Ｔｏｗｅｒｓ，１９７３）。然而Ａｎｔｅｒｏｌａ等

（Ａｎｔｅｒｏｌａ ｅｔ ａｌ，２００２）对松树悬浮细胞系的研究中发现，随着

培养基中苯丙酸浓度增高，会引起ＰＡＬ，４ＣＬ等酶活性升高。

进一步研究发现，在光照条件下大豆ＰＡＬ表达量比黑暗条

件下高，随着处理时间的延长，其ｍＲＮＡ的量和酶活性增加，

但是在次级代谢产物（如异黄酮）的积累水平上，这都表明在

这个过程中ＰＡＬ可能为非限速酶。

１．２ ＣＡＨ的研究进展

１．２．１ ＣＡＨ的作用

ＣＡＨ是第一个被鉴定的植物Ｐ４５０单加氧酶（Ｒｕｓｓｅｌｌ Ｄ

Ｗ，１９６７，１９７１），也是第一个既被克隆、又确定了功能的植物

Ｐ４５０酶，与其他Ｐ４５０相比，ＣＡＨ具有在植物的各组织中均具

有很高活性的特点（Ｆａｈｒｅｎｄｏｒｆ ｅｔ ａｌ，１９９３，Ｍｉｚｕｔａｎｉ Ｍ ｅｔ ａｌ，

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

ＮＡＤＰＨ，它催化苯丙氨酸途径的第二步反应，同时是也该途

径的第一个氧化反应，在肉桂酸的对位点上催化位置特异性

的羟化反应，将反式肉桂酸催化生成对一香豆酸。

１．２．２ ＣＡＨ基因的结构

动物中Ｐ４５０的结构与表达已经有较多的了解。然而植

物Ｐ４５０的功能及表达特征却知道得不多。

目前至少有２０种ＣＡＨ基因从植物中分离。同ＰＡＬ基因

一样，ＣＡＨ基因拷贝数在不同植物中也是不同的。苜蓿有两

个ＣＡＨ基因，豌豆（Ｈｓｕｍｓａｆｉｖｕｍ）只有一个拷贝，绿豆和长春

花（Ｃａｔｈａｒａｎｔｈｕｓｒｏｓｅｕｓ）的ＣＡＨ是由多个拷贝组成的一个小的

基因家族。这些基因编码的氨基酸序列同源性普遍较高约

８５％。但其中来自玉米和法国菜豆的两个序列例外。同源性

仅达６０％（Ｐｏｔｔｅｒ ｅｔ ａｌ，１９９５；Ｎｅｄｅｌｋｉｎａ ｅｔ ａｌ，１９９９）。另外，对已

发表的ＣＡＨ启动子序列进行比较，发现启动子大约１．１ｋｂ

（Ｋａｗａｉ ｅｔ ａｌ，１９９６）

１．２．３ ＣＡＨ基因的表达调控

ＣＡＨ的表达与植物的木质化进程密切相关（Ｃｈａｐｐｌｅ。

１９９８）。欧芹中ＣＡＨ表达模式研究结果显示，该酶在维管束

发达的花梗中表达丰富，在幼叶和老叶中不表达（Ｋｏｏｐｍａｎｎ

ｅｔ ａｌ，１９９９）；拟南芥中ＣＡＨ基因于正在木质化的细胞中表达

最强（Ｂｅｌｌ—Ｌｅｌｏｎｇ ｅｔ ａｌ，１９９７）。

人们在对ＣＡＨ功能的研究中发现，在植物的生长发育

过程中以及各种外界因子，如激发子、真菌感染、机械损伤及

化学诱导子等刺激下，其编码基因ｍＲＮＡ积累水平的变化趋

势与ＰＡＬ趋于一致。

１．３ ４ＣＬ的研究进展

１．３．１ ４ＣＬ的作用

４ＣＬ作用于苯丙酸途径中最后一步反应，催化各种羟基

肉桂酸生成相应的硫酯，这些硫酯处于苯丙酸代谢途径和各

种末端产物特异合成途径的分支点。以前认为４ＣＬ主要以

香豆酸、咖啡酸和阿魏酸为催化底物，不以芥子酸为底物

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

ｓ木质素的合成途径可能并不经过芥子酸（魏建华和宋艳

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

中分离了一种４ＣＬ同工酶，它芥子酸为底物催化分成芥子酞

一辅酶Ａ。另外Ｙａｍａｕｅｈｉ等（Ｙａｍａｕｅｈｉ ｅｔ ａｌ，２００３）以四种植

物为研究对象，进行放射性同位素示踪实验，结果表明洋槐

和夹竹桃中的芥子酸可最终生成芥子醇，而在拟南芥和木兰

中却不能。这一结果揭示出被子植物中４ＣＬ催化底物特异

性因植物种类而异。

１．３．２ ４ＣＬ基因的结构

Ｖｏｏ等（１９９５）从火炬松木质部中克隆出了一个４ＣＩ．ｃ．

ＤＮＡ，编码６４ｋＩ）多肽；ｌ－Ｉａｕｆｅ等从荷兰芹中分离出的４ＣＬ１基

因及旧动子，可在植物茎中特异表达，现已将４ＣＬ基因从大

豆、松树、欧芹、杨树等几种植物中克隆出来，对所有已知植

物４ＣＬ的系统树分析表明，４ＣＬ１属于一个簇，而４ＣＬ２则属

于另外一个簇。

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

物特异性和时空表达特性，具有各自的生理功能。在颤杨

中，Ｐｔ４ＣＬ１参与木质素的生物合成途径，Ｐｔ４ＣＬ２则参与类黄

酮的形成（Ｈｕ ｅｔ ａｌ，１９９８）；在大豆中存在四个同工酶，

Ｇｍ４ＣＬ１和Ｇｍ４ＣＬ２参与植物的生长和发育，Ｇｍ４ＣＩ．３和

Ｇｍ４ＣＩＡ则对外界环境因子产生响应（Ｌｉｎｄｅｒｍａｙｒ ｅｔ ａｌ，２００２）。

２应用前景及分子生物学展望

２．１应用前景

由于生产和保健的需要，植物抗病育种，生物活性成分

成为现代生物技术的焦点之一。开展对ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ酶基

因作用机制，表在部位和时空表达模式的研究，将再利于我

们进一步研究它们的基因表达调控机理、改变表达活性。一

方面，提高植物抗性，既可减少生产上经济损失，又可减少农

药等对人类健康以及生态环境的损害；另一方面，富集特定

目的次生代谢产物，经过苯丙烷代谢途径的许多次生代谢产

物是天然的、对许多重大疾病有独特疗效的活性成分。在医

疗保健具有不可替代的作用（如异黄酮等）。另外，可通过调

控酚类物质代谢影响色泽发育，因此有理由相信，利用分子

生物学技术能大规模的改变花及果实的色泽，从而改良植物

的品质，提高经济效宜。

２．２分子生物学展望

随着分子生物学尤其是基因测序技术的不断发展，更多

不同来源的Ｐ＾ＪＬ、ＣＡＨ、４ＣＬ基因序列将被克隆和测序，通过

分别与已知基因序列的比较分析，能够从分子水平上揭示它

们的结构特点，从而为更好的改造这些基因，改变它们的表

达活性提供更多的基础资料。对于涉及多个基因表达的植

物次生代谢，同时增强多个基因的协同表达是提高次生代谢

物产量所必需的。人们在对这三种酶编码基因的启动于序

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第４期 李 莉，等：苯丙氨酸代谢途径关键酶：ＰＡＬ、Ｃ４Ｈ、４ＣＬ研究新进展 １８９

列进行分析发现，它们的启动子序列中具有一些共同的顺式

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

ｅｔ ａｌ，１９９７），这为实现增强多个基因的协同表达提供了可

行性。

总之，进一步开展对ＰＡＬ、ＣＡＨ、４ＣＬ酶基因作用机制、表

达部位和时空表达模式的研究，将利于我们进一步研究它们

的基因表达调控机理，并用之转化植物使之按照人们的意愿

在转基因植物中大量持久地表达，从而增强植物对病害的广

谱持久抗性，提高特定次生代谢产物（比如大豆异黄酮）的含

量等，更好地为人类服务，这也将是今后研究的焦点之一。

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