综述：植物UGTs：功能多样性、催化机制及其在代谢工程中的合理设计

《Biotechnology Advances》：Plant UGTs: Functional diversity, catalytic mechanisms and rational design for metabolic engineering

植物UDP-葡萄糖转移酶（UGTs）作为关键酶在代谢工程中调控次生代谢产物，改善作物性状，但其催化效率低、底物特异性有限及宿主代谢干扰等问题仍存。通过结构生物学、计算辅助设计及定向进化等策略优化UGTs，为合成生物学和代谢工程提供新思路。

　　

王瑞军|王昌|杜吉坤

深圳中西医结合医院中央研究实验室，中国深圳518104

摘要

植物UDP-葡萄糖基转移酶（UGT）是一类关键的酶，在植物代谢工程中发挥着重要作用。随着代谢工程技术的不断进步以及对次生代谢物生物合成理解的加深，UGT因其显著的功能多样性而受到了广泛关注。本文综述了UGT在代谢工程中的应用背景，强调了它们在植物代谢网络和调控机制中的作用。从功能上讲，UGT能够催化多种底物和糖基化模式的糖基化反应。案例研究突显了它们在生物活性化合物合成和农艺性状改良方面的潜力。然而，仍存在一些挑战，包括催化效率低、底物特异性有限以及可能干扰宿主代谢途径等问题。为克服这些限制，基于结构引导的设计、计算机辅助工程和定向进化等理性设计策略已被证明是有效的解决方案。总体而言，UGT的研究为推进代谢工程和优化植物次生代谢物的生产提供了重要策略。

引言

UDP-葡萄糖基转移酶（UGT）是一类广泛存在于植物中的酶，它们通过将活化的糖基团从供体分子转移到受体分子上来调节激素平衡、解毒外源物质以及控制次生代谢物的生物合成和储存（Yonekura-Sakakibara和Hanada，2011）。自20世纪90年代以来，分子生物学的进展使得能够在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中鉴定出UGT基因，揭示了它们在黄酮类化合物代谢中的关键作用（Li等人，2001）。这一突破为后续的代谢工程研究奠定了基础。对拟南芥UGT家族的系统性注释发现了参与农药解毒的候选基因，并提出了一个多基因协同解毒模型（Brazier-Hicks等人，2018；Huang等人，2021；Kim等人，2006；Li等人，2001）。例如，UGT74E2这种吲哚-3-丁酸（IBA）糖基转移酶已被证明可以调节植物结构并增强耐旱性和耐盐性（Tognetti等人，2010）；其在水稻中的异源表达进一步验证了其功能作用（Dong等人，2022；Peng等人，2017；Tognetti等人，2010；Wang等人，2020）。这些开创性研究加深了我们对UGT的理解，并为其在代谢工程中的应用奠定了坚实的基础。

代谢工程作为一个跨学科领域应运而生，它结合了生物技术和生物科学，以优化代谢流程、提高抗逆性并增加产物产量（表1）。UGT在这一领域被越来越认为是有效的工具。例如，Carex rigescens中的CrUGT87A1基因通过调节应激响应基因的表达来提高耐盐性（Peng等人，2017；Zhang等人，2021b），而在拟南芥中过表达UGT73C19基因则减少了黄酮醇苷的积累，这表明了它在黄酮类化合物代谢中的作用（Shen等人，2022）。这些发现拓宽了UGT的功能范围，并展示了它们在工程化代谢途径以优化生物性能和代谢物谱型方面的应用价值。

通过催化糖基化反应，UGT可以显著改变代谢物的溶解度、稳定性、生物活性和运输特性，从而使其在制药、功能性食品和可持续生物制造等领域具有多种应用（表1）。基因组编辑技术，特别是CRISPR–Cas系统的快速发展，进一步加速了以UGT为中心的代谢工程，实现了对糖基化反应的精确调控，并支持了合理的途径设计（Shelake等人，2023；Zheng等人，2025）。这些进展凸显了UGT作为多功能代谢工程工具的重要性和广泛的生物技术潜力。

尽管取得了显著进展，但UGT的理性设计和实际应用仍面临一些挑战。底物识别是一个关键瓶颈，尤其是对于结构复杂或灵活的分子而言。大型UGT家族内的功能冗余使得单个酶的表征变得复杂，阻碍了靶向工程的努力（Kurze等人，2022）。解决这些问题需要结合结构生物学、计算建模、定向进化和人工智能（AI）辅助的理性设计等综合策略（Wang等人，2023b）。开发高效、环境可持续的转化平台，并将基于UGT的工程技术与合成生物学相结合，为未来的研究提供了有希望的方向。

本文总结了植物UGT的最新进展，重点介绍了它们的生物特性、功能多样性和在代谢工程中的相关性。我们概述了UGT的基本概念和结构特征，列举了其在代谢工程中的应用实例，并批判性地评估了诸如催化效率低、底物特异性受限和宿主代谢干扰等关键限制。最后，我们讨论了结合结构生物学、定向进化和计算方法的新兴理性设计策略。总体而言，这些见解为未来的研究提供了理论基础和实践指导，同时也为UGT在合成生物学和代谢工程中的应用开辟了新的视角。

节选内容

植物UGT的生物特性

植物UGT的特征体现在其结构特征的保守性和调控机制的复杂性上。保守的结构提供了稳定的催化位点，而受体结合口袋的可塑性赋予了它们广泛的底物适应性（Gharabli等人，2023）。此外，UGT的表达和活性受到涉及激素和环境压力的多层次调控机制的严格控制

植物UGT的功能多样性

植物UGT以其独特的功能多样性而闻名，这源于它们多样的催化特性及其在植物代谢网络中的广泛整合。在催化方面，UGT能够对结构复杂和化学性质多样的底物进行各种类型的糖基化反应，通常在同一底物骨架上表现出高度的区域选择性和立体选择性（Gharabli等人，2023；Wang等人，2023b）。从功能上看，UGT在许多代谢过程中都发挥着重要作用

天然UGT在代谢工程中的应用

由于植物UGT具有显著的功能多样性，它们已成为代谢工程中强大的生物催化剂。这种自然进化的酶谱提供了预先优化的催化模块，可以很容易地引入异源宿主中，而无需进行全新的酶设计（Bowles等人，2006；Pandey等人，2016；Tholl，2015）。通过挖掘、筛选和引入特定的UGT基因，可以高效地实现目标天然产物的糖基化

理性设计策略

为了优化催化效率、底物特异性和稳定性，在合成高价值天然产物和提高植物品质方面，理性设计具有重要意义。本节从结构生物学、计算机辅助设计和定向进化三个角度系统阐述了植物UGT的理性设计策略，强调了这些方法的协同机制和应用前景（表3）。

挑战与展望

尽管在阐明植物UGT的结构基础、功能多样性和代谢工程应用方面取得了显著进展，但仍存在一些关键挑战。首先，底物特异性和供体选择性的机制尚未完全理解。当前的研究强调了活性位点残基、灵活的环状结构和酶动力学的重要性，但由于UGT家族的庞大规模和功能多样性，开发一个通用的

结论

UGT是调节次生代谢物生物合成、维持激素平衡和介导植物应激反应的关键酶。在代谢工程和合成生物学的背景下，UGT已成为生产高价值天然产物的强大工具。最近在异源表达、定点突变和底物导向修饰方面的进展使得靶向糖基化成为可能，从而提高了产物的稳定性、溶解度和生物活性

伦理批准

本研究中不包含任何涉及人类参与者或动物的实验。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：31500059）和广东省基础与应用基础研究基金（编号：2025A1515010241）的财政支持。