Etude sur la synthèse du ginsénoside

Le Ginseng (Panax Ginseng C....... A. Mey), appartenant au genre Panax de la famille des Araliaceae, est une plante médicinale bien connue principalement distribuée dans le nord-est de la Chine, en corée et au Japon. Le Ginseng contient divers composants chimiques tels que des saponines, des polysaccharides, du polyacétylène et des flavonoïdes. Parmi eux, le ginsénoside est un métabolite secondaire du ginseng et en est le principal composant bioactif. Il a une large gamme d’activités physiologiques et pharmacologiques, y compris la régulation du système immunitaire, anti-stress, hypoglycémique, anti-inflammatoire, antioxydant et effets anticancéreux. Son mécanisme d’action est principalement de mobiliser le corps et#Les facteurs internes, mobilisent les mécanismes neuroprotecteurs et les mécanismes immunitaires pour exercer leurs effets, sans presque aucune toxicité ou réaction indésirable.

Le Ginseng est actuellement l’un des#39; S les médicaments traditionnels chinois les plus vendus et est largement utilisé dans le monde entier. Le marché global totalConsommation de ginsengEt produits connexes est estimé à avoir atteint 350 millions de dollars américains [1]. Cependant, la culture du ginseng est très difficile en raison de la longue période de culture (6-7 ans jusqu’à la maturité) et de graves maladies des plantes, telles que la maladie de la peau rouge et la pourriture des racines [1]. Par conséquent, les chercheurs ont étudié les cultures de tissus et de cellules de ginseng, telles que le tissu callus et les suspensions cellulaires, pour induire la formation de racines dans les racines normales par Agrobacterium tumefaciens, qui à son tour produit des ginsénosides. Cependant, l’efficacité de production des ginsénosides par cette méthode est très faible. Par conséquent, l’ingénierie métabolique est utilisée pour surproduire des ginsénosides [2-3], ce qui est une stratégie attrayante pour améliorer l’efficacité de production des ginsénosides.

1 aperçu des ginsénosides

The madanspharmacological active ingredient De laginseng is ginsenoside, which is a triterpene saponin. Ginsenosides are named RX (X = 0, A-1, A-2, B-1, B-2, B-3, C, D, E, F, 20-O-F, G-1, G-2, H-1, ⅆ, X) according to Le conseil des ministresorder De latheir Rf values from bottom to top on a TLC plate [4]. Ginsenosides are derivatives De lasugars, mainly compounds in which the hydroxyl group of a sugar is bound to a non-sugar moiety. The non-sugar moiety is called the aglycone. Ginsenosides are divided into two groups based on the structure of the aglycone: the dammarane type Et en plusthe oleanane type. The dammarane type is the main type, and its basic skeleton is a tetracycle. According to the position of the sugar groups on carbons 3, 6 and 20, which can be empty or attached to the sugar ring, ginsenosides can be further divided into protoginsenol and protoginsenol. Only one ginsenoside, Ro, is an oleanane-type ginsenoside, with oleanolic acid as the aglycone and a pentacyclic basic skeleton.

At present, ginsenosides have been confirmed to be composed of more than 100 ginsenosides, et plus de 40 ginsénosides ont été isolés, dont la plupart sont de type damarane, y compris de nouveaux ginsénosides récemment isolés des bourgeons de ginseng, du ginseng transformé, et des feuilles de ginseng. Parmi eux, les ginsénosides les plus étudiés et les plus remarquables sont Rb1, Rb2, Rc, Rd, Rg1, Rg2, Rg3, Re, Rf, Rh1 et Rh2 [6]. Les activités biologiques des ginsénosides récemment découverts doivent encore être étudiées.

2 biosynthèse des ginsénosides

Il existe deux voies de biosynthèse terpène chez les plantes, à savoir la voie MVA et la voie 2-c-méthyl-d-érythritol-4-phosphate (MEP). Auparavant, on estimait généralement que les ginsénosides étaient synthétiés par la voie du mévalonate (voie MVA) pour synthétiser la ppi et le DMAPP, puis le 2,3-oxokaurène, qui est ensuite modifié par hydroxylation et glycosylation pour finalement produire divers monomères du ginsénoside. Des études récentes ont montré que les plantes peuvent également utiliser les intermédiaires glycolytiques pyruvate et 3-phosphoglycérate comme précurseurs pour produire MEP par action enzymatique, et finalement IPP et DMAPP. Eisen-vaich et al. ont utilisé un traceur isotope C13 pour étudier la voie de biosynthèse du terpène anticancéreux paclitaxel, et les résultats ont montré que le paclitaxel est principalement synthétisé par la voie MEP [7]. Les ginsénosides sont également des terpénoïdes, mais il n’existe aucun rapport indiquant si la voie MEP existe dans le ginseng.

In plants, the MVA pathway is found to exist in the cytoplasm, while the MEP pathway is found in the plastids [8]. They are separated, but the reaction processes are carried out simultaneously. Although these two pathways exist in two different cellular spaces, they both generate IPP. Whether there is an exchange of IPP between the two pathways and the details of the exchange have always been one of the hot topics in the study of terpene metabolism in plants. Researchers have used inhibitors of key enzymes to inhibit the MVA and MEP pathways separately, confirming that the two pathways are largely independent of each other, while also finding that IPP exchange between the two pathways does occur [9-10]. Therefore, to some extent, the IPP synthesis of the two pathways has a compensatory function, which may also be one of the reasons why the MEP pathway in plants has not been discovered earlier. However, to date, there has been no research on the MEP pathway in ginseng. In addition, it remains to be studied whether both pathways or only one of them plays an important role in ginsenoside synthesis.

In ginseng, the biosynthetic pathwaysDes stéroïdes et des triterpénoïdes partagent le même précurseur, 2,3-oxidosqualene, et les étapes de cyclization pour former 2,3-oxidosqualèneet la ramification sont les mêmes dans les deux voies. Dans le ginseng, la synthèse des phytostérols et des triterpénoïdes commence avec le produit de la cyclization 2,3-oxidosqualène catalysée par oxidosqualene cyclase (OSCS). Dans le ginseng, la β-amyrin synthase (β-AS), la dammarane synthase (DS) et la cycloartanol synthase (CS) appartiennent à la famille des oxidosqualene cythase (OSC) et sont situées au point de ramicité du triterpénoïde et du stérols biosynthèse (Figure 1). Le CAS catalyse la formation du cycloartanol, peut être utilisé comme précurseur pour les stérols végétaux. DS et β-AS sont tous deux des précurseurs des ginsénosides, DS fournissant le squelette dammarane tétracyclique pour la synthèse des ginsénosides de type dammarane et β-AS fournissant le squelette tétracyclique pour la synthèse des ginsénosides de type oléanane. Les intermédiaires dammarane et l’acide β-boswellique peuvent être convertis en ginsénosides par une série de réactions d’hydroxylation et de glycosylation [11-13]. On pense que le Cytochrome P450 est impliqué dans l’hydroxylation du squelette ginsénoside [14], tandis que les glycosyltransferases sont impliquées dans la glycosylation du squelette ginsénoside.

3 clonage et recherche sur les gènes codant des enzymes impliquées dans la biosynthèse du ginsénoside

Lee et al. [15] isolated the full-length cDNA clone of SS (PgSS1, accession number: AB115496) through EST Analyse des donnéesDe ginsengleaf cDNA libraries. PgSS1 is considered to be a multi-copy gene or a gene with several introns. Overexpression of PgSS1 enhanced the activity of the PgSS1 enzyme, resulting in a significant increase in plant sterol and ginsenoside content. These results indicate that PgSS1 is not only a key regulatory enzyme in phytostérolbiosynthesis, but also in ginsenoside biosynthesis. The same results were also found in the heterologous overexpression of Panax ginsengPgSS1[16], dans lequel les niveaux de phytostérols (B-sitosterol, stigmasterol) et de saponines triterpéniques ont augmenté de 2,0 à 2,5 fois dans le Panax ginseng transgénique. En outre, cela suggère que chez d’autres plantes, la surexpression hétérologue des gènes impliqués dans la biosynthèse de la saponine triterpène du ginseng peut être utilisée pour augmenter les niveaux de ginsénosides et éluder le mécanisme de biosynthèse des ginsénosides.

Kushiro et al. [12] ont isolé deux clones d’adnc homologues différents codant la β-synthase (PNY1 et PNY2) à partir de poils de racine de ginseng. Ces deux bêta-ânes peuvent avoir un ancêtre commun qui a évolué par de multiples copies et mutations au cours de l’évolution. La partie interne clé de l’enzyme qui forme la β-asarone (PNY1) a été déterminée. De plus, une étude de mutation dirigée sur le site de la PNY1 a permis d’identifier un seul résidu d’acide aminé, Tyr261, qui est essentiel pour la spécificité du produit. La β-amyrine et ses métabolites sont souvent spécifiques des tissus [17], ce qui peut expliquer pourquoi un seul type de saponine de type oléanane (Ro) a été identifié à partir du ginseng.

La Dammarane synthase (DS) est considérée comme l’enzyme biosynthétique la plus importante des ginsénosides. Sous son action catalytique, le 2,3-oxidosqualène est transformé en (20S)-dammarane, et non en (20R)-dammarane. Récemment, des chercheurs ont utilisé la technologie RT-PCR pour cloner le gène dammarane-II synthase [18]. Cette DS contient un ORF de 2310 bp codant pour un polypeptide de 770 acides aminés, et la masse moléculaire prédite de ce polypeptide est de 88,3 kDa. En outre, l’interférence d’arn DS dans le ginseng transgénique peut réduire l’expression de DS, ce qui entraîne une réduction de 84,5 % de la production de saponine dans les racines de ginseng [19]. Ces résultats indiquent que la DS est une enzyme clé impliquée dans la biosynthèse du ginsénoside, et par conséquent la surexpression de DS peut améliorer considérablement la biosynthèse du ginsénoside.

So far, only SS, DS, β-AS and CS have been studied. In ginseng, a gene (accession number AB009031) encoding for the production of ginsenoside protopanaxatriol has been identified [20], suggesting a novel plant sterol synthesis pathway in ginseng. In addition, the results of expression séquencetag (EST) analysis of cDNA libraries from different tissues of ginseng [5, 14, 21] showed that candidate genes related to ginsenoside biosynthèseencode enzymes such as HMGR, FRS, geranylgeranyl diphosphate synthase, cytochrome P450, glycosyltransferase, β-glucosidase and lupeol synthase (LUS).

4 perspectives

Among the various chemical components of Ginseng, ginsénosides are its main active ingredients. Currently, most studies have focused on the saponin components. Before the MEP pathway was discovered in bacteria and plants, the MVA pathway was considered the only synthetic route for the synthesis of triterpenoid saponins from IPP and DMAPP. The MEP pathway has now been shown to exist in a variety of plants; however, more research is needed on the MEP pathway in ginseng.

Des techniques de biologie moléculaire et d’enzymologie ont été utilisées efficacement pour révéler le mécanisme de la biosynthèse du ginsénoside, et des séquences d’adc de plus en plus complètes de gènes et de gènes candidats codant des enzymes liées à la biosynthèse du ginsénoside ont été obtenues. En outre, la technologie EST a été largement utilisée pour le clonage de gènes et l’expression de la squalène synthase (HMGR, FPS, farnesyl diphosphate synthase, SE) nécessaires à la synthèse du ginsénoside et des enzymes nécessaires aux étapes ultérieures (cytochrome P450, glycosyltransférase, B-glucosidase). De plus, la découverte du gène candidat pour la synthèse du lupéol et du lanosterol dans le ginseng a amélioré la compréhension des voies métaboliques du ginseng. Traditionnellement, les racines de ginseng ont été considérées comme le tissu principal pour la biosynthèse du ginsénoside. Cependant, la DS responsable de la plus grande partie de la biosynthèse du ginsénoside est exprimée au plus haut niveau dans les boutons de fleurs de ginseng [19]. Cela suggère que les boutons de fleurs de ginseng pourraient être un matériau idéal pour disséquer davantage la voie de biosynthèse du ginsénoside.

Jusqu’à présent, les principales méthodes utilisées pour identifier les gènes codant des enzymes impliquées dans la biosynthèse du ginsénoside ont été l’analyse RT-PCR [12-13] et l’analyse EST [5, 14, 21]. Une bibliothèque de chromosomes artificiels bactériens du ginseng basée sur la génomique du ginseng A été construite. Ces ressources peuvent être utilisées non seulement pour identifier les gènes liés aux ginsénosides, mais aussi pour élucider les mécanismes de régulation de l’expression génétique. Ces dernières années, l’arni est devenue un moyen technique très efficace dans l’ingénierie métabolique des plantes. Il peut effectivement inhiber l’expression de gènes spécifiques et peut être utilisé comme outil pour la découverte future de gènes impliqués dans la régulation métabolique et la vérification fonctionnelle du ginseng. L’utilisation de la technologie de l’arni peut analyser des gènes liés à la synthèse du ginsénoside à grande échelle et avec un rendement élevé, et peut identifier plus efficacement et avec plus de précision les gènes de régulation métabolique possibles et vérifier leur fonction [22]. A l’heure actuelle, bien que des progrès substantiels aient été réalisés dans la découverte de la voie de synthèse ginsénoside, la recherche sur le niveau catalytique des enzymes concernées n’a pas encore été effectuée. En outre, les étapes ultérieures de la biosynthèse du ginsénoside doivent encore être clarifiées, et il y a encore un long chemin à parcourir pour analyser la biosynthèse des ginsénosides.

Les saponines de Ginseng sont un composant important des métabolites secondaires, et leur contenu et leur composition sont principalement déterminés par les enzymes clés dans la biosynthèse et leur niveau d’expression dans les cellules. Le métabolisme des stérols et des triterpénoïdes végétaux est un processus très complexe et dynamique régulé par de multiples facteurs. Il reste encore beaucoup de questions à répondre avant que la voie métabolique des ginsénosides puisse être complètement élucidée. Cependant, compte tenu de l’importance économique et pharmacologique du ginseng, c’est toujours un domaine important qui mérite d’être étudié.

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