糖生物学_植物糖基转移酶研究进展

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课程：Glycobiology

植物糖基转移酶研究进展

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植物糖基转移酶研究进展

摘要:糖基转移酶一类是能够催化糖基从激活的供体转移到特定的受体分子上的一类酶，在生物体中普遍存在并形成了超基因家族。糖基转移酶广泛参与植物生命活动的各种生物学过程。本文综述了近年来的研究报道，综述了糖基转移酶的分类、分离鉴定方法及在生物学功能方面的研究进展，期望为相关研究工作提供参考。

关键词:植物糖基转移酶，分类，分离鉴定，生物学功能

糖基转移酶（Glycosyltransferases，GT，EC 2.4.x.y）是一类催化糖基转移的酶，通过产生糖苷键将供体糖分子或相关基团转移至特异的受体上。糖基转移酶几乎存在于所有的生物体中，其所催化的糖基化反应是最重要的生物学反应之一，直接参与二糖、单糖苷、聚糖苷等的生物合成。糖基供体分子包括双糖、多糖、1-磷酸糖、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸，植物中最常见的供体为UDP-Glc。受体可以是糖类、脂类、蛋白质、抗生素和核酸。糖基转移酶催化供体-受体形成α、β两种糖苷键，产物为多糖、糖蛋白、糖脂以及糖苷化合物等。全基因组测序发现真核生物中约1%的基因编码糖基转酶。

1糖基转移酶的分类

目前，对糖基转移酶的分类主要根据Campbell等提出的GT Family 分类系统（数据收录在CAZy数据库中）。糖基转移酶作为高度分歧的多源基因家族，根据蛋白氨基酸序列的一致性、催化特性以及保守序列对其进行分类。因此，一特定的糖基转移酶既可以通过生物化学的方法鉴定其底物，也可以通过生物信息学方法研究其与已知酶基因或酶蛋白氨基酸序列的同源性对其进行分类。目前，依据这种分类方法，糖基转移酶被分为94个家族。根据其的折叠方式可将绝大多数酶分为两个超家族，GT-A超家族和GT-B超家族（图1）。根据催化反应机制、产物的立体化学异构性，在这两个超家族中糖基转移酶又分为反向型和保留型两大类（图2）。

GT-A型折叠的空间结构有两个紧密相连的β/α/β类Rossmann折叠区域。GT-A家族成员需要一个D-X-D基序用来结合二价金金属离子（多为Mn2+），这有助于UDP-糖供体的PPi在酶活性位点上的固定，对于催化反应是不可或缺的。GT-A难以识别UDP-糖供体以外的供体，所以受体的多样性较低。GT-B型折叠的空间含有两个正对的β/α/β类Rossmann折叠区域，连接方式灵活。GT-B成员无需二价金属离子维持活性，这是GT-B与GT-A家族成员的一个显著区别。此外，通过结构分析和PSI-BLAST发现了由跨膜GT组成GT-C超家族，其折叠方式全为反向型，活性位点位于长环部，一般含有8-13个跨膜螺旋。

图1：依据折叠方式的糖基转移酶分类系统

Fig. 1 Hierarchical classification of glycosyltransferases from folds to clans

（注：R’：糖?脂?蛋白?次生代产物?植物激素等）

图2：“转化型”和“保留型”糖苷转移酶的反应机制

Fig. 2 Reaction mechanisms of converting and reserving GTs

GT-C超家族中第一个三维结构被确定的是古细菌Pyrococcus furiosus的STT3。GT-C超家族也可以在隐马氏模型中找到，使用这个方法还在真核生物中发现了第四个家族GT-D。

“转化型”糖基转移酶的催化反应机制是一个类S N-2机制的亲核取代反应：以活化的糖供体基团C-1作为亲电子基团，亲核攻击捕获带有亲核受体原子的糖苷配基，经过一个氧络正碳离子-离子样的过渡态，产生一个反向的异头构型，完成取代反应。目前，“保留型”糖基转移酶的催化机制尚不清楚，推测可能是中间体为短暂存在的含氧碳正离子的双取代反应机制。综合糖基转移酶的空间构型和反应类型，可以将糖基转移酶大致分为4个目，目下面又分为不同的家族（图1）。

目前，已分类编号的94个家族中有40个分属于植物糖基转移酶，但是不同家族之间的进化关系并尚不明确。GT1包含有4388个基因序列，这些序列源于古细菌、细菌、真核生

物和病毒（https://www.360docs.net/doc/2117020014.html,/fam/acc_GT.html），催化反应机制为“转化型”，与植物激素、次生代产物糖苷化相关的糖基转移酶也位于该家族。GT1家族中绝大多数糖基转移酶的C末端含有一个44个氨基酸的保守序列称为PSPG盒（图3），认为该序列是糖基供体的结合域，所以将GT1单独归为尿苷二磷酸糖基转移酶（Uridine diphosphate glycosyltransferase，UGT）超家族，成员主要以UDP-GLc和UDP-葡糖醛酸为糖基供体。

图3：植物糖基转移酶PSPG盒保守序列

Fig. 3 Plant glycosyltransferase conservative sequence of PSPG box

2糖基转移酶的分离鉴定及生化特征

目前可以使用多种不同的方法鉴定糖基转移酶基因，包括生物信息学、生物化学以及遗传学方法等。生物信息学方法研究植物糖基转移酶的思路如下：从cDNA或EST数据库中获取推测是糖基转移酶基因的序列，与目的基因所在的基因组进行同源性比较，得到所有可能的糖基转移酶基因，使用载体克隆该基因并在Escherichia coli等细胞中进行表达，对表达产物进行分离纯化，体外实验验证酶活性和底物。通过该方法找到了拟南芥中99个可能的糖基转移酶基因，这些酶所修饰的次级代产物包括吲哚乙酸、细胞分裂素、水酸等。此外，生物信息学方法还可用于基因功能预测和结构分析、亚细胞定位、蛋白结构域分析、保守序列预测以及三维结构预测等。

一般采用阴离子交换、疏水色谱、凝胶过滤以及染料配体层析等技术对植物糖基转移酶分离纯化。利用仿生原料（eg:活性黄3、活性绿19）作为亲合层析固定相可以提高糖基转移酶的纯化效率。活性黄3等模拟底物与糖基转移酶结合形成束缚酶形式，采用UDP-Glc 作为洗脱液可以得到高纯度糖基转移酶。

通过对植物组织酶提取液或者重组酶进行鉴定，发现大部分植物糖基转移酶为可溶性酸性蛋白，pI=4.2-6.1,分子量大约为40-60kDa；糖基受体K m=0.4-3600μmol/L，最适pH=5.9-9.0。Escherichia coli 重组糖基转移酶分子量为50-84kDa，其糖基供体类似于植物糖基转移酶，受体除植物次生代产物外，还有植物激素、外源杀虫剂等。

3植物糖基转移酶的生物学功能

植物糖基转移酶催化的反应底物众多，包括植物激素、次生代产物和生物同/异源物质(如含氰苷、除草剂等)。糖苷化可以改变糖苷配基(aglycones)的许多性质，如生物活性、溶

解性、在细胞及植物组织和器官的转运性，其在植物生长发育、代调节、解除外源毒素毒性及次生代产物合成、贮存等方面具有重要作用。

3.1 植物糖基转移酶与抗病能力

拟南芥（Arabidopsis thaliana）作为模式生物，其糖基转移酶的研究是最为广泛和深入的，拟南芥的糖基转移酶在自身抗性方面发挥重要作用。von Saint Pauld等从拟南芥糖基转移酶中筛选出UGT76B1，缺失UGT76B1的突变体较野生型对营养型丁香假单胞菌的抗性增强，同时提高了水酸的含量其标记基因PR1的表达也上升。但该酶的过表达突变体水酸含量下降、茉莉酸含量增加。说明UGT76B1在水酸与茉莉酸信号通路对接中发挥着重要作用。Park等用DNA芯片筛在拟南芥中选出UGT74E2，缺失这种糖基转移酶的拟南芥突变体对丁香假单孢番茄致病菌的抗病能力增强，同时获得也提高了系统获得性抗性。Lim等借助T-DNA插入载体在拟南芥中构建了糖基转移酶基因突变体，突变体对土豆假单孢菌抗性的降低，实验证明这些糖基转移酶可以使植物中的脱落酸发生糖基化修饰，从而增强植物自身的抗性。这些都说明糖基转移酶在植物病原相互作用中的重要性。

3.2 植物糖基转移酶与次生代产物合成

糖基化修饰作用会影响植物代产物的滞留区域，可能会使一些小分子化合物在某一固定位置（如液泡里）积累，也可能使一些疏水化合物因糖基化改变停留位置而停留在亲水环境中。甜叶菊（Stevia rebaudiana）叶片中含有大量的甜菊糖苷，其甜度约为蔗糖的300倍。甜菊苷在质体中开始合成，然后在甜菊双糖苷的C-4羧基位置糖基化形成甜菊苷，然后运送到液泡。因为甜菊苷只在这一步糖基化之后才开始积累，所以认为这一步对于甜菊苷转运至液泡是至关重要的。借助功能基因组学手段从甜叶菊中克隆除了UGT74G1、UGT76G1和UGT85C2三个糖基转移酶基因，而且证明他们三个都选择性的在甜菊醇的不同位点进行了糖基化修饰。由此可见，植物的糖基转移酶在次生代产物的合成中起着至关重要的作用。3.3 植物糖基转移酶与源激素

植物的源激素在植物的生长、发育、分化、成熟以及信号应答过程中的作用十分重要。激素在植物体的存在方式往往是结合态与游离态并存，且二者可以可逆转化。糖基转移酶在二者的转化中发挥调节功能。Xu等在赤豆(Vigna angularis)中克隆出一个糖基转移酶基因，该酶的体外重组蛋白实验表明：它能特异性的催化反式脱落酸的糖基化。在拟南芥中，Lim 等鉴定到一个糖基转移酶基因UGT71B6，该基因其产物催化天然存在的顺式脱落酸。Priest 等对UGT71B6在拟南芥中对脱落酸含量动态平衡的影响作了深入步研究，发现该基因过表达会使脱落酸葡糖酯大量积累，而脱落酸氧化代产物红花菜豆酸和二氢红花菜豆酸的含量下

降，但自由脱落酸的含量较野生型无明显变化。

3.4 植物糖基转移酶参与信号转导

O’Donnell等研究番茄的防御反应时，发现糖基转移酶基因Twil的表达能够对叶部机械损伤病原微生物的侵染做出迅速反应。进一步研究表明，此基因的表达受水酸和病原菌的Avr9基因产物的诱导。这说明糖基转移酶可能在植物防御反应的信号转导中发挥关键作用。

3.5 植物糖基转移酶的其他生物学功能

研究表明，植物糖基转移酶还可以对生物来源的毒素进行解毒，对非生物来源毒素进行脱毒反应，以及参与调控植物对非生物胁迫的应答反应等。

虽然上述相关研究表明了糖基转移酶基因参与植物的众多生理学过程，但部分功能的具体作用机制尚不十分明确，具体的分子机制还需要人们深入进行探究。

4小结

虽然植物糖基转移酶的研究已经取得了很大的进展，特别是对于拟南芥等模式生物，为人类改造期望的糖基转移酶打下了坚实的基础。未来植物糖基转移酶在作物品种改良、代工程方面具有可观的有应用前景。随着其生物学功能逐渐被鉴定，将为阐释维持细胞稳态的分子机制和植物生长发育规律提供新的研究思路。利用基因工程技术和生化检测手段，揭示其在植物生理生化代网络中的作用，也将成为是植物糖基转移酶研究重要容。随着科研手段的不断更新，植物糖基转移酶及其相关研究领域必将取得重大进展。

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Research Progress of Plant Glycosyltransferase Abstract:Glycosyltransferases are able to catalyze the glycosyl transfer to a specific receptor molecule on a class of enzymes from the activated donor. The organisms are widespread in a large number of glycosyltransferase enzymes, and the formation of the super -gene family. Glycosyltransferases have been widespread concerning for the importance of plant life. This article reviews the research in recent years, summarizes the classification of glycosyl transferase, isolation, identification and research rogress of biological function.

Keywords: Plant Glycosyltransferase, classification ，isolation and identification，biological function