植物中的维生素E：生物合成、运输和功能

作者：Paula Mun oz1 and Sergi Munne-Bosch*

摘要：

维生素E，包括生育酚和生育三烯醇，包括调节脂质过氧化的脂溶性抗氧化剂。近年来，各种研究对维生素E的生物合成、运输和功能的理解取得了重大进展。叶绿素降解后的植基部分用于生育酚的生物合成。在番茄中已经鉴定出一种alpha;-生育酚结合蛋白(TBP)，用于植物细胞器内维生素E的运输。此外，alpha;-生育酚不仅通过脂质双分子层中的翻转运动清除自由基，而且还可能有助于微调叶绿体外特定信号的传递。维生素E，特别是alpha;-生育酚，可能对植物的发育至关重要，并有助于对一些环境压力做出最合适的响应。

本文亮点：alpha;-生育酚是一种亲脂性抗氧化剂，由叶绿体中的甲基赤藓糖醇和莽草酸盐途径合成，可调节植物中脂质过氧化的程度。增加alpha;-生育酚的含量，这在生物化学和功能上都与叶绿素的损失有关且提高了光保护。最近发现的一种alpha;-生育酚结合蛋白揭示了植物细胞器内戊烯基脂质的运输。一些非光合组织中的高alpha;-生育酚含量提出了关于植物中维生素E的生物合成、运输和功能的相关问题。

植物中的维生素E：生育酚和生育酚三烯醇

一个世纪前，人类发现了一种对老鼠繁殖至关重要的饮食因素，这种维生素（词汇表）被命名为'生育酚'，来自希腊语tόko2（tόko2，birth），以及4έrεin（pheacute;rein,，to bear or carry）的意思是'生育'，结尾'-ol'与其化学醇结构。虽然维生素E有八种不同分子形式，其中4种生育酚和4种生育三烯醇是有效的抗氧化剂，但由于肝脏alpha;-生育酚转移蛋白(alpha;-TTP)的高活性，人体倾向于积累alpha;-生育酚，从而用alpha;-生育酚富集血浆。除了只存在于肝脏的alpha;-生育酚转移蛋白外，生育酚结合蛋白系统会导致生育酚定位在的所需的各种人体组织中。alpha;-生育酚转移蛋白尚未在植物界中被发现，但最近在番茄中发现了一个生育酚结合蛋白系统。因为生活在相对高氧的条件下，使植物和动物进化出复杂的但也很有趣的抗氧化保护^[5,6]机制，包括维生素E的产生（植物）或摄入（动物）^[7,8]。如果活性氧(ROS)的产生没有得到需要的平衡，生活在高氧环境中会导致电子传递过程失活（例如，植物光合作用的光抑制，植物和动物线粒体电子传递功能障碍）。活性氧的持续产生可能对细胞有害，因为它们会损害蛋白质、脂质和核酸；但当它们短暂积累时会参与逆信号，而逆信号在调节发育和适应环境过程中都是必不可少的^[9,10]。

构成维生素E的8种脂溶性抗氧化剂的化学结构都归功于与疏水戊烯基尾巴相连的极性铬醇头（具有完全饱和戊烯基尾巴和含有三个不饱和碳的生育三烯醇，在3rsquo;,7rsquo;和11rsquo;）。生育酚和生育三烯醇都可以根据其甲酚头上甲基的数量和位置分为alpha;、beta;、gamma;和delta;形式。这些化学结构的细微差异强烈地影响了它们在不同系统中的抗氧化活性，因此它们在植物界^[7,12]中存在并积累。虽然alpha;-生育酚在植物界普遍分布，在光合组织中是主要的维生素E形式，但gamma;-生育酚和生育三烯醇分别在几种双子叶和单子叶植物的种子中占优势^[7,12,13]。根据他们的淬火能量（物理）和清除单线态氧(¹O2)（化学）和调节脂质过氧化的程度，一些维生素E形式（尤其是生育酚）已被证明不仅在叶子^[14]也在一些果实^[15]和花中发挥抗氧化作用。在过去的5年里，生物物理学^[18]、生物化学^[19–21]和对维生素E在植物中的^[22,23]功能的理解已经取得了重大进展。在此，我们的目的是讨论近期这些发现的生物学意义与该领域的其他关键成就的关系，同时为未来的研究提供新的途径。

维生素E的生物合成：新的见解

维生素E的生物合成通过两种主要途径的组合发生在质体的内膜上（图1）。莽草酸途径产生了尿黑酸(HGA)的铬醇环。同时，甲基红三醇磷酸(MEP)途径提供了香叶酰二磷酸(GGDP)和二磷酸苯酯（phytyl-DP）的戊烯基尾巴分别用于合成生育三烯醇和生育酚。早在近15年前，拟南芥维生素E途径基因5-1(vte5-1)的鉴定和阐明，发现了叶绿素循环途径（图2）。与野生型相比，vte5-1突变体的种子和叶片的总生育酚含量分别降低了80%和65%。Vte5-1突变体缺乏一种VTE-5植物醇激酶，该激酶在二磷酸苯酯形成的两步反应中负责植物醇磷酸化^[24]。这种替代的代谢途径允许了植物醇循环（图2），最近通过在拟南芥中完成对植基磷酸激酶VTE-6的特性分析，发现它催化第二步植物醇磷酸化^[19]。这种叶绿素循环途径在番茄（叶绿素）中也有报道，其中vte-5沉默植株在叶片和果实中的生育酚含量均低于野生型^[20]。有趣的是，叶绿素降解不仅发生在植物对环境胁迫的反应中，而且还发生在一些发育过程中，如叶片衰老或种子成熟，以及一些果实的成熟和花的衰老过程中^[15,17]。一些研究表明，在这些生理过程中叶绿素损失和生育酚合成之间有很强的相关性^{[15,17,25,26]}。叶绿素合成酶和香叶酰二磷酸还原酶也参与维生素E的生物合成，它们介导与叶绿藻相连的叶绿素的产生，叶绿素在叶绿藻分解过程中从叶绿藻被释放^[27]。参与叶绿素脱植化的酶的身份尚不清楚，虽然叶绿素酶被认为是催化衰老叶片叶绿素分解的酶，但其他水解酶如叶绿素脱植基酶1(CLD1)可能允许植醇在果实成熟和种子成熟过程中重新活化^[28，29]。

生育三烯醇不同于生育酚，不仅在化学结构不同，并且他们分别分布在特定组织（例如，种子^[12]，橡浆^[30]）和植物物种（例如，一些棕榈家族的分支^[12]），尽管其他几个例子是同时发现生育三烯醇与生育酚，特别是在种子中^[12,31,32]。生育三烯醇在植物界中的不均匀分布以及生育三烯醇不能自然替代生育酚的事实表明，虽然生育酚是普遍分布于整个植物界的必需化合物，但生育三烯醇却是次生代谢物。虽然生育酚和生育三烯醇合成过程的差异是复杂的，并且不同组织和物种的合成方式都不同，但生育三烯醇生产的生物合成途径大多已被阐明^[33]。然而，关于这一主题的新研究说明了其复杂性以及植物多样性和独特性在决定生育三烯醇/生育酚生产方面的重要性。最近，对水稻维生素E生物合成的完整阐明发现了另一种香叶基还原酶(OsGGR2^[21])，该酶在拟南芥中不存在，它们都只有一个香叶酚还原酶基因。由于香叶酰还原酶负责二磷酸香叶醇形成二磷酸苯酯或香叶酰叶绿素（图2），灭活香叶酰还原酶基因1(OsGGR1)和香叶酰还原酶基因2(OsGGR2)的水稻愈伤组织产生生育三烯醇但不产生生育酚。因此这提供了生产纯生育三烯醇的可能性^[21]。此外，更好地了解生育三烯醇的生物合成将对生态学具有重要意义。生育酚和生育酚三烯醇生产的差异，主要是分别地^[33,34]由尿黑酸香叶基转移酶和尿黑酸叶酚转移酶，在矮棕榈树种子萌发过程中，是通过茉莉酸介导维生素E生育酚生物合成量来调节，而不是通过生育三烯醇的积累来调节^[35]。

维生素E的运输：证据和生物学意义

生育酚由位于叶绿体内膜和质体小球内膜的酶通过一系列作用合成（图3）。生物合成途径中的一些酶定位在质体小球内膜，例如 VTE1 和参与生育酚再循环的 NAD(P)H 依赖性醌氧化还原酶 (NDC1) ^[35]。虽然一些关键酶参与维生素E前体的生物合成，如酪氨酸转氨酶(TAT)和4-羟基苯基丙酮酸双加氧酶(HPPD)（图1），可以分布在细胞质或植物细胞的质体^[37]，但所有酶催化的最后步骤的生育酚和生育三烯醇都定位在质体。因此，质体通常被认为是植物细胞中维生素E独特的亚细胞定位。

图1.植物中维生素E的化学结构和生物合成.

(A)维生素E的化学结构。铬醇头和戊烯基尾部构成了生育酚和生育三烯醇的化学结构。生育酚有一个饱和的尾巴，而生育酚在3rsquo;、7rsquo;和11rsquo;处有三个不饱和度（橙色线）。alpha;、beta;、gamma;、delta;同源物在R₁和R₂中甲基的数量和位置不同。(B)植物中生育酚和生育三烯醇的生物合成。生育酚和生育三烯醇是由甲基赤藓糖醇磷酸盐和莽草酸盐途径结合形成的。缩写：DMGGBQ，二甲基香叶基香叶基苯醌；DMPBQ，二甲基植基苯并喹啉；GGDP，香叶酰香叶酰二磷酸；GGDR，香叶酰香叶酰二磷酸还原酶；GGPS，香叶酰香叶酰二磷酸合酶；HGGT，同种香叶酰香叶酰转移酶；HPPD，羟基苯基丙酮酸二加氧酶；HPT，同基因植基转移酶；MEP，甲基赤藓三醇磷酸；MGGBQ，甲基香叶基香叶基苯并喹啉；MPBQ，甲基苯醌；MPBQ-MT，MPBQ甲基转移酶；PDP，植基二磷酸；TAT，酪氨酸转氨酶；TC，生育酚环化酶；TMT，生育酚甲基转移酶。

图2.植物中生育酚的生物合成与叶绿素降解的联系.

当甲基赤藓糖醇磷酸(MEP)途径可能受到限制时，叶绿醇循环途径对生育酚生物合成至关重要。星号表示叶绿素磷脂水解酶(PPH)是衰老叶片叶绿素分解机制的重要组成部分，通过植基激酶(PK)和植基磷酸激酶(PPK)的作用产生生育酚。然而，在果实成熟过程中，其他水解酶可能有助于种子成熟过程中的叶绿素脱植基。缩写：CLD1，叶绿素脱植基酶1；DMPBQ，二甲基植基苯并喹啉；GGDR，香叶基香叶酰二磷酸还原酶；GGPS，香叶酰二磷酸合酶；HPPD，羟基苯基丙酮酸二加氧酶；HPT，同源酸植酸转移酶；MEP，甲基赤藓糖醇磷酸；MPBQ，甲基苯醌；MPBQMT，甲基苯醌甲基转移酶；PDP，甲基二磷酸；TAT，酪氨酸转氨酶；TC，生育酚环化酶；TMT，生育酚甲基转移酶。

然而，最近在番茄植株中发现的alpha;-生育酚结合蛋白，不仅存在于新叶和落叶中，而且存在于果实^[4]中，这可能会与我们之前关于维生素E在植物中定位在特定的亚细胞位置的观点相反。早期的研究已经表明，生育酚可能不仅存在于叶片叶绿体和种子质体中，而且还存在于种子脂质体^[12,38]、叶肉细胞的液泡和细胞核中。此外，虽然生育酚主要与光合组织有关，但生育酚和生育三烯醇都存在于一些非光合组织中的积累。从这些非光合作用组织中，种子积累了最多的维生素E，包括其各种形式^[35,40]的不同组成^[35,40]，而果实^[15,20,41]、花^[16,17]和块茎^[42,43]储存alpha;-生育酚，和小部分gamma;-生育酚。一些与维生素E相关的基因已经在这些非光合器官中被鉴定出来，特别是在种子中，已经阐明了几乎完整的生物合成途径。然而，关于维生素E的形式或它们的前体如何在非叶绿体组织中合成仍存在一些问题，由于生理限制^[29,43]，这些组织中维生素E的生物量积累尝试都失败了。尽管番茄的alpha;-生育酚结合蛋白以叶绿体为靶点，而alpha;-生育酚结合蛋白的作用是传导生育酚和其他物质在细胞器间的运输过程，所以还需要进一步研究其他可能参与细胞器间运输的alpha;-生育酚结合蛋白。与此同时，这也将是研究维生素E定位在在叶绿体和内质网膜的可能性的一种有意义的方式。维生素E的定位将影响细胞器间脂质代谢^[4]，因为它已经表明，生育酚可以通过ER膜上的酶使得生育酚跨细胞器互补^[44]。有趣的是，在哺乳动物细胞中使用绿色荧光蛋白（GFP）融合蛋白表达系统，我们观察到一些alpha;-生育酚结合蛋白以alpha;-生育酚依赖的方式从细胞质转移到细胞核^[45]；因此，应该在植物中研究公认的细胞器间维生素E运输系统。

图3.维生素E在植物中的亚细胞定位和抗氧化作用.

(A)维生素E是在叶绿体中合成的。虽然一些参与生育酚合成的酶定位于叶绿体内膜，但其他的酶也在质体小球中发现。(B)生育酚在脂质双分子层中的抗氧化作用。生育酚的翻转折叠（绿色结构）与脂质-水界面附近自由基的捕获密切相关，其允许脂质过氧自由基被有效地去除。这一过程是必要的，以避免脂质过氧化转移到过氧基。生育酚还能有效地清除活性氧(ROS)，如单线态氧（¹O2）。缩写：Cytb6f，细胞色素b6f复合物；LHCII，光系统II的光捕获复合物；PSILHCI，光合体系I-光系统I；PSII, 光系统II；Vit E,维生素E；VTE1，维生素E1或生育酚环化酶;VTE2,维生素E2或同源植基转移酶;VTE3,维生素E3或甲基苯醌甲基转移酶;VTE4,维生素E4或生育酚甲基转移酶。

番茄alpha;-生育酚结合蛋白与人类alpha;-生育酚转移蛋白的总体相似性为24.8%，具有alpha;-生育酚结合区域^[4,46]，且不仅与alpha;-生育酚结合，还与其他类异戊二烯戊烯基脂质结合，如叶醌^[4]。这表明，番茄alpha;-生育酚结合蛋白参与了番茄植物中广泛的脂质运输调控，而维生素E在植物中的脂质运输似乎没有哺乳动物所拥有的特异性。然而，alpha;-生育酚结合蛋白的结构和功能上的重要差异可能已经在植物界进化了数百万年；因此，需要进一步的研究来阐明这些蛋白质的复杂性。迄今为止，唯一描述的植物alpha;-生育酚结合蛋白的例子已经在番茄中显示出来。在严格意义上，番茄alpha;

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