大型担子菌中二萜化合物生物合成研究进展_周一鸣.pdf

Review 综述 22 January 2023,42(1):101-117 菌物学报 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q Doi:10.13346/j.mycosystema.220374 资助项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(2572020DP07)This work was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2572020DP07).*Corresponding authors.E-mail:; ORCID:LIU Chengwei(0000-0003-2746-2080),ZHAO Min(0000-0001-9751-454X)Received:2022-09-30;Accepted:2022-10-13 Copyright 2023 Institute of Microbiology,CAS.All rights reserved.| Http:/journals- Tel:+86-10-64807521 菌物学报 101 刘成伟 东北林业大学生命科学学院教授，博士生导师，黑龙江省酶与类酶工程重点实验室学术带头人。主要研究方向为：1.大型真菌药用活性天然产物生物合成途径解析；2.沉默基因挖掘与新化合物发现；3.利用合成生物学手段高效生产有应用价值的化合物。开创了应用子囊属真菌表达担子菌含有内含子基因的米曲霉异源表达体系，为担子菌天然产物异源生产提供了新的可用宿主。大型担子菌中二萜化合物生物合成研究进展 周一鸣1，祁建钊1,3，段应策1，赵敏1,2*，刘成伟1,2*1 东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040 2 黑龙江省酶与类酶工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040 3 西北农林科技大学化学与药学院，陕西 杨凌 712100 摘 要：大型担子菌分布广泛，种类繁多，它们是重要的食药用资源的宝库。萜类化合物是其主要活性成分之一，包括倍半萜、二萜和三萜等，这些化合物具有预防、缓解或治疗癌症、抑郁症、糖尿病和高脂血症等多种疾病的功效。目前，从担子菌中分离出的二萜类化合物基本骨架结构特征主要为鸟巢烷(cyathanes)型、截短侧耳素(pleuromutilins)型、guanacastanes 型、海松烷(pimaranes)型、松香烷(abietanes)型和毛皮伞烷(crinipellins)型 6 大类型。本文综述了担子菌中二萜类化合物的结构特点、生物活性和生物合成的研究进展，对参与担子菌中二萜化合物生物合成的二萜合成酶进行了分类，对两种重要的二萜化合物生物合成途径进行了系统总结和论述。本文将为未知二萜化合物生物合成途径及关键基因功能解析提供参考。关键词：担子菌；二萜；二萜合成酶；生物活性；生物合成 引用本文 周一鸣，祁建钊，段应策，赵敏，刘成伟，2023.大型担子菌中二萜化合物生物合成研究进展.菌物学报，42(1):101-117 Zhou YM,Qi JZ,Duan YC,Zhao M,Liu CW,2023.Research progress of the biosynthesis of diterpenoids in macro-basidiomycetes.Mycosystema,42(1):101-117 周一鸣 等/大型担子菌中二萜化合物生物合成研究进展 综述 菌物学报 102 Research progress of the biosynthesis of diterpenoids in macro-basidiomycetes ZHOU Yiming1,QI Jianzhao1,3,DUAN Yingce1,ZHAO Min1,2*,LIU Chengwei1,2*1 College of Life Sciences,Northeast Forestry University,Harbin 150040,Heilongjiang,China 2 Key Laboratory for Enzyme and Enzyme-like Material Engineering of Heilongjiang,Harbin 150040,Heilongjiang,China 3 College of Chemistry&Pharmacy,Northwest A&F University,Yangling 712100,Shaanxi,China Abstract:Macro-basidiomycetes are widely distributed and diverse.They are not only important food resources,but also a treasure of medicinal resources.Terpenoids are one of the main active ingredients found in the fruiting bodies of macrobasidiomycetes,including sesquiterpenes,diterpenes,triterpenes,etc.These compounds have effects of preventing,relieving or treating cancer,depression,diabetes,hyperlipidemia,and other diseases.At present,the basic backbone structure characteristics of diterpenoids isolated from basidiomycetes can be divided into six types:cyathanes,pleuromutilins,guanacastanes,pimaranes,abietanes,and crinipellins.In this review,the structural characteristics,biological activities,and biosynthesis of diterpenoids in basidiomycetes were summarized.Diterpene synthase involved in the biosynthesis of diterpenoids in basidiomycetes is classified,and two important biosynthetic pathways of diterpenoids are systematically summarized and discussed.Keywords:basidiomycetes;diterpenoids;diterpene synthetases;biological activities;biosynthesis 大型担子菌是一类能够形成大型子实体且能够形成担子和担孢子的重要真菌类群，该类真菌数量大、种类多、分布广泛，截至2019年，全球已收录超过 4.8 万余种(魏铁铮等 2020；魏杰等 2021)，近年来仅中国就发现该类真菌近 1 000 种(戴玉成等 2021；Wu et al.2022)。此类真菌能够产生许多具有重要生物活性的天然产物(Wu et al.2019)，其中萜类化合物是主要的次级代谢产物之一。萜类化合物种类丰富，是天然产物的最大家族，到目前为止，已经发现了 95 000 多种结构不同的萜类化合物(Quin et al.2014；Christianson 2017)。这类化合物结构具有(C5H8)n通式，分子骨架是以异戊二烯单元为基本结构单元的化合物及其衍生物。它们普遍存在于自然界中，是构成植物香精、树脂和色素等次级代谢产物的主要成分(李传旺等 2021)。萜类化合物生物合成的共同前体是异戊二烯焦磷酸(isopentenyl diphosphate,IPP)和 二 甲 基 烯 丙 基 焦 磷 酸(dimethylallyl pyrophosphate,DMAPP)，根 据IPP 生物合成来源和机制的不同可以将萜类化合物的生物合成分为两条不同的途径，分别是甲羟戊酸途径(MVA 途径)和甲基赤藓糖磷酸途径(MEP 途径)(Kuzuyama 2002)。萜类化合物按照碳原子的数目可以分为单萜(C10)、倍半萜(C15)、二萜(C20)、三萜(C30)和多萜等。由于多数萜类化合物分子中具有不同的碳环数，因此又可以分为链萜、单环萜、双环萜和三环萜等(刘莉和胡昌华 2010)。由此可见，萜类化合物从简单的线型碳氢链结构到复杂的环化结构充分体现了其结构多样性，这种结构多样性在一定程度上决定了它们生物活性的多样性(Gershenzon&Dudareva 2007)。二萜类化合物作为萜类化合物的代表之Review 22 January 2023,42(1):101-117 Mycosystema ISSN1672-6472 CN11-5180/Q 菌物学报 103一，广泛存在于植物和真菌中，是一类具有重要价值的天然产物，并且以其广泛的生物活性成为国内外的研究热点。根据目前的文献记载显示，真菌中发现的二萜都是由 MVA 途径合成而来。IPP 在型或者型 IPP 异构酶的作用 下 异 构 化 形 成 DMAPP(刘 莉 和 胡 昌 华 2010)，然后 DMAPP 在香叶基香叶基焦磷酸合成 酶(geranylgeranyl diphosphate synthase,GGPPS)的作用下再与 3分子的IPP缩合形成香叶基香叶基焦磷酸(geranylgeranyl diphosphate,GGPP)(Ohnuma et al.1998)。大部分功能性二萜是由非环状的 GGPP 在二萜环化酶的作用下生成二萜母核骨架，然后再经过进一步的加工修饰如氧化、还原、甲基化和糖基化等得到最终产物(刘莉和胡昌华 2010)。二萜类化合物结构的复杂性和多样性，使其具备了多种不同的生物活性，因此，这类化合物被广泛用作临床药物，具有非常高的应用和经济价值，从而受到越来越多的关注(益萱等 2019)。例如，从大型真菌中分离出的一些鸟巢烷型二萜化合物(cyathane)已被证明可以促进某些神经因子生长或合成，是治疗某些神经退行性疾病如阿尔茨海默病的先导化合物(汪锴等 2015)。本文总结了大型担子菌发现的 6 大类典型二萜化合物的化学结构、生物活性以及生物合成途径，将为担子菌中二萜类化合物生物活性和生物合成途径解析提供参考，同时对其生物活性挖掘利用提供理论依据。1 大型担子菌中大型担子菌中 6 种二萜类化合物基本骨架的概述种二萜类化合物基本骨架的概述 根据目前从大型担子菌中发现的二萜类化合物结构特点可将其分为 6 大类，分别为鸟巢烷(cyathanes)型、截短侧耳素(pleuromutilins)型、guanacastanes 型、海松烷(pimaranes)型、松香烷(abietanes)型和毛皮伞烷(crinipellins)型(图 1)。1.1 鸟巢烷(cyathanes)型二萜 Cyathanes 型二萜，即鸟巢烷型二萜，是担子菌二萜类化合物中数量最多的类型之一(Zhang&Feng 2022)。根据近十年来的文献报道已经有近百种该类型二萜被发现。鸟巢烷型二萜主要从 Cyathus 属、Hericium 属和 Sarcodon 属以及 3 个特殊物种 Phellodon niger、Laxitextum incrustatum 和 Strobilurus tenacellus 中分离得到(Chen&Liu 2017)。此类化合物最初于 1971 年从看起来像鸟巢的 Cyathus 属中分离出来，并以此命名(Johri&