《Natural Product Reports》：The roles of glycosyltransferases in shaping flavonoid diversity in plantsOpen Access
编辑推荐：
类黄酮属于植物中最大的特化代谢物家族之一，在植物适应和人类健康中发挥关键作用。在其生物合成中，核心芳香结构的形成之后会发生各种化学修饰，这些修饰进一步装饰这些骨架，塑造了它们的化学多样性、生物学功能和理化性质。在这些修饰中，糖基化最为普遍，它将糖基从活化的核苷
类黄酮属于植物中最大的特化代谢物家族之一，在植物适应和人类健康中发挥关键作用。在其生物合成中，核心芳香结构的形成之后会发生各种化学修饰，这些修饰进一步装饰这些骨架，塑造了它们的化学多样性、生物学功能和理化性质。在这些修饰中，糖基化最为普遍，它将糖基从活化的核苷酸糖转移到受体分子上，形成糖苷键。该反应由UDP-糖基转移酶（UDP-glycosyltransferases, UGTs）催化，这类酶能够从相对有限的类黄酮核心结构生成结构多样的糖苷。通过这些催化过程，UGTs推动了类黄酮在植物谱系中的结构和功能多样化。本综述重点介绍了参与类黄酮生物合成的UGTs的结构、生物化学和系统发育。研究人员讨论了底物混杂性以及糖供体和受体底物的广泛特异性如何使UGTs扩展类黄酮的化学多样性。此外，还重点关注了UGT基因表达如何整合到组织特异性和胁迫响应的调控网络中，从而塑造类黄酮多样性，以及UGT依赖的糖基化在多种类黄酮的稳定化和亚细胞隔离中所起的关键作用。最后，研究人员总结了工程改造植物类黄酮UGTs及糖基化途径的新兴策略，包括计算和人工智能辅助方法的机遇与局限。
1. 引言（Introduction）
类黄酮是植物特化代谢物的重要家族，其基本骨架为C6–C3–C6结构，包括黄烷酮、黄酮醇、异黄酮、黄酮、花青素、黄烷-3-醇及原花青素等亚类。花青素赋予植物组织红、紫、蓝等颜色，类黄酮还参与抵抗过量光照、紫外线（UV）辐射、氧化胁迫、病原菌和植食者，并介导发育过程及与共生微生物的生态互作。类黄酮对人类营养和药理学具有重要意义，已报道超过9000种结构。核心类黄酮生物合成途径在植物中高度保守，而化学多样性主要由谱系特异的修饰产生，其中糖基化由UDP-糖基转移酶（UGTs）介导，是功能最重要的修饰类型。UGTs根据氨基酸序列同一性分类命名，利用UDP-糖供体将糖基转移到受体分子上，生成多种糖苷。本综述旨在总结UGTs在类黄酮多样化中的生化、进化和调控原理，并讨论工程策略。
2. 类黄酮糖基化UGTs的结构与生物化学（Structures and biochemistry of flavonoid-glycosylating UGTs）
植物UGTs可识别UDP-葡萄糖、UDP-半乳糖、UDP-鼠李糖、UDP-葡萄糖醛酸、UDP-木糖和UDP-阿拉伯糖等糖供体。类黄酮糖基化多发生在羟基（O-糖基化），由O-UGTs催化；也存在C-糖基化，由C-UGTs催化，例如水稻OsCGT、金莲花TcCGT1和荞麦UGT708C1。晶体结构显示UGTs采用GT-B折叠，由N端和C端两个Rossmann样结构域组成，供体和受体底物结合在结构域间裂缝中。糖供体特异性主要由C端保守的植物次级产物糖基转移酶（PSPG）基序决定，其中PSPG基序末端的组氨酸残基对UDP-糖识别至关重要。受体底物结合在N端结构域形成的口袋中，口袋的形状、大小和静电性质决定底物特异性；催化残基（如UGT78G1的His26）作为通用碱去质子化受体羟基，通过SN2样机制形成糖苷键。区域选择性是增加类黄酮结构多样性的关键因素，例如不同UGTs偏好糖基化3-OH、5-OH或7-OH位置。然而，受体特异性和区域选择性的分子基础仍未完全阐明，体外活性并不一定代表体内功能，需要遗传验证和代谢物分析进行整合。C-糖基化机制仍是未解之谜。
3. 植物UGTs的进化扩张与功能分化（Evolutionary expansion and functional diversification of plant UGTs）
糖基转移酶是古老的酶超家族，植物UGTs属于GT1家族，与细菌GT1具有共同祖先，但序列同一性极低。植物UGTs起源于一个共同祖先基因，含有保守的PSPG基序。早期陆生植物（如苔藓和石松）UGT基因数量较少，类黄酮多样性有限；约5亿年前植物从水生向陆生过渡，面临UV辐射、干旱等新挑战，推动了UGT基因家族的扩张。基因复制（尤其是串联复制）是UGT扩增的主要驱动力，随后发生亚功能化或新功能化。不同植物谱系独立进化出适应其生态位的UGT组，产生物种特异的类黄酮谱，如黄芩中的根特异4′-脱氧黄酮7-O-葡萄糖醛酸苷。远缘UGTs可趋同进化出相似催化功能。UGTs还常与细胞色素P450（CYP）单加氧酶功能协调，CYP引入羟基，UGT随后糖基化并稳定产物。但仅从序列预测UGT功能仍具挑战，机器学习与AlphaFold辅助方法正在兴起。
4. 类黄酮多样化中的转录调控（Transcriptional regulation in flavonoid diversification）
转录调控控制类黄酮“何时、何地、产生什么”。与微生物中生物合成基因簇不同，植物类黄酮基因通常分散在基因组中，由转录因子介导的调控网络协调。在拟南芥中，诱导花青素的MYB-bHLH-WD40（MBW）复合物同时激活核心生物合成基因和晚期修饰基因（如UGT78D2、UGT75C1）；葡萄中VvMYBA1/VvMYBA2调控花青素相关UGT表达。矮牵牛花中An1/An2调控3-O-葡萄糖基转移酶活性，Rt位点编码鼠李糖基转移酶，形成花瓣特异的3-O-芸香糖苷，体现了组织特异性调控网络招募UGTs产生花青素结构多样性。拟南芥MYB12/MYB111调控不同器官中黄酮醇苷的积累；玉米P1调控C-糖基黄酮合成相关UGT708A6；大豆NAC转录因子直接激活异黄酮7-O-葡萄糖基转移酶IF7GT3。然而，UGT基因被招募到特定调控回路中的进化机制仍不清楚。
5. 类黄酮糖苷的稳定化与亚细胞隔离（Stabilization and subcellular sequestration of flavonoid glycosides）
类黄酮生物合成主要在细胞质中进行，苷元形式具有化学反应性和潜在细胞毒性。UGT催化的糖基化通过掩蔽羟基、增加水溶性、降低反应性，起到稳定化和解毒作用。糖基化还作为胞内转运的分子开关，促进代谢物从细胞质转运至液泡储存。以花青素为例，拟南芥UGT78D2和UGT75C1分别催化3-O和5-O糖基化，产生的糖苷被MATE转运蛋白TT12或葡萄ABCC1转运至液泡。谷胱甘肽S-转移酶（如TT19）可能参与苷元的瞬时稳定。豆科植物中MATE转运蛋白MtMATE1/MtMATE2分别转运表儿茶素3′-O-葡萄糖苷和花青素3-O-葡萄糖苷。但液泡隔离机制是否适用于所有类黄酮亚类仍未知。此外，类黄酮糖苷是否可从液泡再动员、囊泡运输是否涉及糖基化、以及糖苷向质外体和根际的胞外释放机制（如大豆异黄酮糖苷的分泌和β-葡萄糖苷酶GmICHG的激活）仍是待解决的问题。
6. 植物类黄酮UGTs及糖基化途径工程的新兴策略（Emerging strategies for engineering plant flavonoid UGTs and glycosylation pathways）
当前工程策略分为四大趋势：（1）蛋白质水平的酶工程：通过PSPG基序突变改变糖供体特异性，或结合晶体结构/AlphaFold模型、分子对接、分子动力学模拟和定向突变优化催化性能，例如黄芩UGT71AP2的区域选择性改造；（2）植物体内修饰：通过CRISPR/Cas9敲除特定UGT基因，如日本龙胆Gt5GT或Gt3′GT敲除改变花色；水稻中UGT等位变异影响黄酮糖苷积累和UV-B耐受性；大豆UGT基因编辑改变抗虫性；（3）微生物宿主重构：在大肠杆菌和酵母（如Komagataella phaffii）中重建完整类黄酮糖基化途径，工程改造前体供应、UDP-糖合成和产物稳定性，实现黄酮C-糖苷的从头生产；（4）高通量与计算/AI辅助整合：机器学习平台（如GT-predict）和底物多重筛选平台结合AlphaFold结构模型预测底物混杂性，机器学习框架ProEnsemble优化途径基因表达组合。然而，AI直接设计UGT序列仍受限于缺乏足够大的序列-功能数据集。
7. 结论与展望（Conclusion and perspectives）
UGTs是植物类黄酮多样化的关键驱动因素，通过糖供体使用、受体选择性和区域选择性的变化，从相对有限的核心骨架生成大量结构多样的糖苷，并影响其溶解性、稳定性、定位和生物学功能。UGT家族的进化扩张、功能分化及其被整合入组织特异和环境响应的转录网络，使不同植物谱系产生特征性的类黄酮谱。糖基化不仅是终末修饰，更是连接类黄酮结构与积累、区室化和功能的重要过程。未来重点包括阐明C-糖基化的催化机制、建立序列-结构-功能预测关系，并整合结构生物学、AI建模、代谢组学和合成生物学，以实现高价值类黄酮糖苷的可持续生产。
