中科院上海辰山植物科学研究中心赵清课题组阐明黄芩黄酮甲氧基化合物合成的机制学术资讯

黄酮的甲氧基化是类黄酮基本结构形成后最主要的修饰反应之一，与酰基化、糖基化等修饰作用一起带来类黄酮结构及功能的多样性。类黄酮甲氧基化可降低一些基团的化学活性；增加了类黄酮的亲脂性，扩大了其在细胞内的分布范围，有利于其更好地和胞内膜结构结合从而发挥生物学活性。植物中类黄酮的甲氧基化，是一个由小分子甲氧基转移酶（O-methyltransferase，OMT）催化的反应。

近期，上海辰山植物园（中国科学院上海辰山植物科学研究中心）赵清课题组在Plant Biotechnology Journal上发表了题为Two types of O-methyltransferase are involved in biosynthesis of anticancer methoxylated 4´-deoxyflavones in Scutellaria baicalensis Georgi研究论文。该研究在对黄芩根部代谢组进行分析和代表性黄芩甲氧基黄酮的抗癌活性实验的基础上，鉴定了黄芩中参与黄酮甲氧基化的两类甲氧基转移酶家族及成员，通过对其活性和蛋白结构的研究进一步阐明了黄芩黄酮甲氧基化合物合成的机制。

黄芩 (Scutellaria baicalensis) 是唇形科黄芩属多年生草本植物，它含有多样的甲氧基化黄酮。研究者对黄芩根进行了代谢组学分析，发现黄芩中含有72种黄酮化合物，其中甲基化黄酮占据一半以上（43种）。并将常见的甲氧基黄酮化合物：黄芩黄酮I和韧黄芩素I进行癌细胞凋亡实验，发现相对于黄芩素，黄芩黄酮I和韧黄芩素I对肝癌及肺癌细胞有更强的抗性，同时对健康细胞没有毒副作用。

进一步在黄芩中发现了两个氧位甲基转移酶（OMT）家族（I类和II类）参与黄芩根中甲氧基黄酮的生物合成。其中II类OMT家族中，根特异表达的SbPFOMT2 和 SbPFOMT5负责装饰黄酮上两个相邻羟基之一，将 C6、8 和 3'-羟基甲基化，分别形成千层纸素、韧黄芩素II和金圣草黄素；而地上部分表达的SbPFOMT1只负责甲基化咖啡酰COA，参与木质素合成。I类 OMT家族的SbFOMT3、SbFOMT5 和 SbFOMT6 主要负责黄酮的C7-甲氧基化。其中最为较特殊的是SbFOMT5，它能甲基化黄芩素中的C5、C6和C7 -羟基。研究者进一步做了蛋白建模实验，发现了SbFOMT5活性多样的原因是其核心区较大的疏水腔，能容纳黄酮分子的移动，并进一步通过点突变实验验证了该结论。

在掌握了上述两类OMT特性的基础上，研究者在酵母共表达 SbPFOMT5 和 SbFOMT6，并添加相应羟基黄酮，该酵母生产出了黄芩黄酮 I。而共表达SbPFOMT5 和SbFOMT5的酵母发酵产生了韧黄芩素I。这项工作表明两个 OMT 家族均参与了黄芩中甲氧基化黄酮的生物合成。

本文通过实验证明甲基化可以显著提高黄酮抑制癌细胞生长的活性，显著降低其IC50值，且对正常细胞没有毒性。同时寻找到了负责甲基化这些黄酮的酶，为后续合成生物学的研究奠定基础。