《Frontiers in Plant Science》：From plant hormones to human health: progress and challenges in strigolactone biosynthetic structural diversity and antitumor effects
编辑推荐：
独脚金内酯（Strigolactones, SLs）是植物通过类胡萝卜素色素分解产生的植物生长调节化合物。随着独角金内酯生物合成关键酶和途径分支的不断发现，以及越来越多的证据表明合成独角金内酯化合物具有多种生物活性，一个概念逐渐形成，即独角金内酯不仅作为植物激
独脚金内酯（Strigolactones, SLs）是植物通过类胡萝卜素色素分解产生的植物生长调节化合物。随着独角金内酯生物合成关键酶和途径分支的不断发现，以及越来越多的证据表明合成独角金内酯化合物具有多种生物活性，一个概念逐渐形成，即独角金内酯不仅作为植物激素具有双重作用，而且代表了一类潜在的药用支架。最近的研究总结了独角金内酯生物合成的关键组成部分，强调了其保守的骨架以及通过甲基化和氧化步骤产生的关键中间体甲基卡罗内酯（MeCLA）。此外，细胞色素P450酶在环化和氧化修饰最后阶段的作用被强调，这为同时产生典型和非典型独角金内酯的能力提供了分子基础。这种生物合成多样性在药理学上是相关的，因为酶促反应产生的支架结构和氧化模式的差异扩展了可用于结构导向类似物设计和应用的独角金内酯化学空间。在生物医学领域，独角金内酯类似物具有抗癌潜力，能够抑制肿瘤细胞增殖、调节血管生成过程，最重要的是，它们代表了一类新型的晚期自噬和线粒体自噬抑制剂，可阻止自噬体与溶酶体的融合，并增强抗肿瘤治疗的疗效。独角金内酯还具有额外的治疗活性，包括抗氧化和抗炎特性。然而，目前也已识别出基于独角金内酯的药物开发面临的几个关键障碍，包括化学不稳定性、缺乏足够的安全性体内测试和代谢谱数据，以及明确的哺乳动物靶点的缺失。现有证据还表明，合成独角金内酯启发的类似物的潜力比典型的天然独角金内酯得到了更强有力的支持。独角金内酯作为潜在候选药物的未来在于通过构效关系和系统药理学验证进行靶点识别和优化。
1 引言
独角金内酯（Strigolactones, SLs）是一类源于植物的倍半萜内酯型信号分子，最初被鉴定为植物根系分泌的化合物。其名称“Strigolactone”可追溯至与寄生植物独角金（Striga asiatica）相关的Strigol。随后，SLs被确立为一类独特的植物激素，调控多种发育过程，包括抑制枝条分枝、促进初生根和根毛生长、控制叶片衰老和种子萌发。此外，除了作为促进从枝菌根共生和刺激寄生植物种子萌发的信号外，SLs还可通过植物内部过程介导或从根系释放到周围土壤中。SLs在植物生物学和农业领域受到了广泛关注，同时，随着相关信息的增加，对其潜在生物医学用途的关注也在持续扩大。近期对SL及其许多相关类似物的药理特性产生了浓厚兴趣，文献已证明其具有广泛的抗炎、抗癌和抗氧化活性。本综述的目的是总结SL生物合成的最新进展，并概述SL在癌症和炎症相关疾病过程中的作用及作用机制方面的进展，以明确SL研究的未来方向。
2 从类胡萝卜素到植物激素：独角金内酯的生物合成网络
独角金内酯的合成源于一个共同的类胡萝卜素前体，植物通过对核心前体进行特异性修饰，从而产生巨大的多样性。最近的研究支持这样一个模型：在SL合成之前的最终氧化修饰步骤，主导了SL的身份和浓度，并表明从一个物种产生的不同产物在其生产方面很可能是模块化的，而非严格线性的。
2.1 典型生物合成途径
独角金内酯是类胡萝卜素衍生的代谢物，其生物合成始于β-胡萝卜素等类胡萝卜素底物。在典型途径中，类胡萝卜素异构酶D27和裂解酶CCD7、CCD8依次作用，将全反式-β-胡萝卜素转化为初始的SL前体卡罗内酯（carlactone, CL）。CL具有特征性的ABC环骨架和一个未闭合的不饱和侧链，是所有SL的共同前体。这些上游步骤构成了一个保守的核心，在植物界中广泛保留。在下游，细胞色素P450单加氧酶家族CYP711A（拟南芥中的MAX1）将CL氧化为卡罗内酯酸（carlactonoic acid, CLA），甲基转移酶活性则产生甲基化中间体甲基卡罗内酯（MeCLA）。在这些共享中间体的基础上，植物引入物种和谱系特异性的修饰反应，从而产生结构多样的SLs。在一些物种中，额外的P450催化的环化反应将CLA或其衍生物转化为特定的SLs，如5-脱氧独脚金醇或独脚金醇。包括CYP711A和CYP722C在内的P450酶参与这些终末步骤，这些家族的成员在棉花和高粱中可以直接将CLA转化为SL结构，如列当醇和5-脱氧独脚金醇。其他酶也被认为参与了后期修饰。在拟南芥中，LBO氧化MeCLA生成1’-羟基-MeCLA，并可反馈再生CLA；而在百脉根中，新描述的一种双加氧酶（LjLLD）催化形成非典型SL产物——百脉根内酯。
2.2 P450驱动的结构多样化
不同植物物种分析的SLs结构和组成明显多样，具有不同的生物合成途径来生成SLs，并且有多种酶能够从其他生物合成/底物材料制造SLs。证据表明，细胞色素P450可能是SLs结构多样性的主要决定因素。例如，研究和发现更多SL相关P450的方法包括基因共表达分析、基因编辑技术，以及在酵母、烟草或其他系统中使用异源表达生物体遗传材料进行功能验证。据报道，杉本研究小组在豆科和其他植物中发现的CYP722C家族成员能够催化CLA转化为特定类别的SLs。这一结果表明，观察到的终末分支不仅限于MAX1途径，并提出了不依赖CYP711A形成SL产物的额外途径。因此，基于其结构和导致SL产物形成的事件，CYP711A、CYP722C和禾本科特异性的CYP706 P450s被归类。这些P450酶的出现和多样化因此被认为是塑造谱系特异性SL库的主要力量。
2.3 非典型分支的新发现
水稻研究表明，尽管大多数现有研究集中在通过主流途径产生的典型SLs上，但在这些途径之外，还有额外的“非典型”途径也贡献于SL产物的生物合成。先前的研究鉴定了水稻SL生物合成途径的以下组分：生物合成酶OsCYP706C2和两种甲基转移酶，介导了从卡罗内酯到4-氧代-MeCLA的相邻反应。跨物种共表达分析确定这三种蛋白质对产生这种非典型SL至关重要。此外，OsCYP706C2和一种甲基转移酶的异源表达表明，该酶以卡罗内酯为底物，在甲基转移酶的共同作用下将其转化为4-氧代-MeCLA。oscyp706c2突变体未观察到分蘖表型的剧烈改变，表明OsCYP706C2介导的非典型SL生物合成途径在决定水稻地上部结构特征中不起主要作用，然而，该突变体确实表现出菌根定殖延迟和根系结构改变，这表明OsCYP706C2介导的途径分支似乎与共生关系和根系生理学的关系更密切，而不是与枝条分枝促进或寄生植物信号传导。此外，这些发现与以下假设一致：尽管这是一种不同于典型SL生物合成途径的独特SL生物合成途径，但这两种途径都服务于独特的生态功能。
同时，研究人员通过种质筛选在玉米中发现了另一个相关群体。该研究鉴定出一个玉米品系，其根系分泌的独角金内酯组成与大多数玉米品系不同，并且对独脚金具有抗性。该研究还证明，抗性玉米品系产生两种独角金内酯（zealactol和zealactonoic acid）。与先前记录的活性独角金内酯zealactone相比，这两种SLs在刺激独脚金萌发方面表现出较弱的活性。机理研究表明，细胞色素P450氧化酶ZmCYP706C37催化了代谢物的多步氧化，从而将这些中间体转化为zealactone。对抗性品系的进一步分析表明，由于CYP706C37在代谢物转化为zealactone的生物合成途径中活性降低或缺失，生物合成产物流被转向生产zealactol和zealactonoic acid，从而导致萌发信号强度降低。此外，ZmMAX1b、ZmCYP711A和推测的CLA甲基转移酶ZmCLAMT1也通过与ZmCYP706C37共同参与改变SL组成谱，从而影响玉米的整体SL表型。此外，由这些不同品系产生的SLs组成变化，将更不容易被寄生植物识别，从而导致感染率降低。总之，这两项研究为玉米SL生物合成途径提供了更多见解，并提供了基于调控P450及其下游产物活性来改变独角金内酯产生谱、从而最小化寄生刺激的育种策略。综上所述，最近对水稻和玉米的研究为SL生物合成的变异性和复杂性提供了证据，这可能是不同类型P450酶和其他酶联合作用和相互作用的结果。
2.4 从生物合成多样化到药理学机遇
值得注意的是，上述总结的生物合成多样化不仅与植物适应相关，还为生物医学探索提供了可用的化学空间。尽管大多数SL的直接靶点仍未完全确定，但这些生物合成变体为构效关系分析提供了有用的框架，因为即使SL支架的细微变化也可能影响哺乳动物系统中的化学稳定性、细胞摄取和生物反应。在这个层面上，植物途径的多样性可能为优先选择天然SL启发的化学型以及设计更稳定、更强效的类似物用于应用提供了蓝图。
3 抗肿瘤活性与机制：广泛的抗肿瘤潜力
在此生物合成背景下，生物医学报告可被视为测试SL化学空间的哪些区域与生物活性兼容。迄今为止检测的大多数化合物是合成类似物而非内源性植物SLs，但其设计植根于保守的SL支架和受生物合成多样化启发的修饰。利用酚类化合物SL的抗癌剂，已逐渐成为已知的能够有效抑制恶性细胞生长、刺激细胞凋亡，有时还能通过抑制血管生成为破坏肿瘤最佳血液供应提供潜在治疗选择的多种化学物质。一个反复出现的机制主题是，选定的衍生物削弱了应激适应能力，从而增强了治疗压力，降低了药物耐受性，并创造了有利于细胞凋亡或铁死亡的条件，这共同支持了它们在联合导向的癌症治疗中的潜力。值得注意的是，目前最有力的证据来自SLs启发的合成类似物，这表明哺乳动物生物活性可能更依赖于药理学优化的SLs支架，而非天然结构。
3.1 抑制肿瘤细胞生长和诱导细胞死亡
越来越多的研究表明，SL相关分子可以抑制多种肿瘤细胞类型的增殖，并选择性诱导癌细胞凋亡。以合成SL类似物GR24为例，(±)-GR24在多种细胞系中显示出抗肿瘤活性，包括抑制癌细胞增殖、诱导细胞周期停滞和促进细胞凋亡。Carrillo及其同事进一步报道，GR24可显著抑制肿瘤血管生成，这种效应与干扰VEGFR2信号传导和细胞骨架重组有关。鉴于血管生成对于肿瘤发展以及随后肿瘤侵袭和扩散到身体远处部位至关重要，因此SLs表现出的抗血管生成效应可能为癌症的治疗提供更大的抗肿瘤潜力。此外，有证据表明，SLs与其他抗癌药物的组合对多种侵袭性肿瘤（如胶质母细胞瘤GBM）有效。这些报告显示，两种新型SL类似物不仅能够上调促凋亡蛋白Bax和促凋亡蛋白酶Caspase 3，还能下调抗凋亡蛋白Bcl-2，从而诱导凋亡通路激活、抑制GBM细胞增殖并诱导GBM细胞周期停滞。这些作用共同导致GBM细胞活力急剧下降，表明这些新合成的SLs将作为开发治疗胶质母细胞瘤有效抗癌剂的先导化合物。因此，这些初步发现共同为可能的广泛抗肿瘤活性提供了有力证据。
3.2 通过抑制自噬增强抗癌疗效
癌细胞通常利用升高的自噬活性作为在化疗药物造成的恶劣和应激环境中生存的手段。因此，抑制这一过程可能潜在地提高治疗效果，但迄今为止，仅开发出少数有效且选择性的自噬抑制剂。值得注意的是，最近发现SL相关分子表现出选择性的自噬抑制活性。先前的研究设计并合成了一系列SL类似物，并通过筛选鉴定出一种光学纯衍生物（化合物6），其对结直肠癌细胞显示出强效和选择性的细胞毒性，而对正常结直肠上皮细胞影响极小。在结构上，化合物6似乎保留了独脚金内酯的特征性丁烯内酯D环/烯醇-醚药效团，同时结合了刚性和经过药物优化的支架。在裸鼠皮下异种移植模型中，化合物6剂量依赖性地抑制HCT116肿瘤生长，而没有明显的全身毒性。在机制上，化合物6在结直肠癌细胞中诱导细胞凋亡并使细胞周期停滞在G0/G1期。重要的是，化合物6通过增加自噬通量但阻断自噬体和溶酶体的融合，选择性地抑制了HCT116细胞中的晚期自噬。通过这样做，化合物6破坏了融合过程中的一个关键步骤，导致有毒代谢物和受损细胞器的积累，从而激活细胞死亡信号。同时，通常具有较低自噬基础水平且对死亡信号敏感性较低的正常细胞受到的影响小于HCT116细胞。这项研究证明了一种光学纯SL衍生物可以作为具有新机制的选择性自噬/线粒体自噬抑制剂，并支持抑制LSA是治疗结直肠癌的一种有前景的方法，为癌症治疗剂的设计提供了指导。
3.3 克服化疗耐药性和诱导铁死亡
除了直接杀伤肿瘤细胞外，SL衍生的分子在逆转化疗耐药性方面也显示出鼓舞人心的潜力。奥沙利铂（OXA）耐药性仍然是结直肠癌临床治疗的主要障碍。该研究报告了一类II型strigolactam（命名为SL 39），可强烈增敏OXA耐药结直肠癌细胞（HCT116R）。在体外，SL 39与OXA联合使用恢复了HCT116R细胞的药物敏感性；在裸鼠异种移植瘤中，联合治疗也有效抑制了耐药肿瘤的生长。在机制上，SL 39类似于化合物6，靶向晚期自噬，它特异性地阻断耐药HCT116R细胞中自噬体-溶酶体的融合，而不显著改变溶酶体pH值，从而导致线粒体功能障碍和活性氧（ROS）的致死性积累。SL 39还增加膜脂质过氧化，并抑制胱氨酸/谷氨酸反转运蛋白xCT (SLC7A11) 和谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)，从而有效地将保护性自噬转化为铁死亡。SL39可能通过阻断晚期自噬、增加ROS、削弱xCT/GPX4依赖的脂质过氧化物解毒作用，从而将保护性自噬转向铁死亡。此外，铁代谢也可能参与其中，尽管具体的下游事件仍未确定。由于这种方法绕过了经典的凋亡通路，因此可能在具有凋亡抗性的肿瘤中仍然有效，包括那些具有高BCL-2表达或p53突变的肿瘤。此外，SL39对正常肠上皮细胞显示出低毒性，并且在小鼠中具有良好的耐受性，表明其具有良好的治疗窗口。当与OXA联合使用时，该方案产生了协同效应：OXA诱导DNA损伤和氧化应激，而SL39通过自噬阻止应激缓解并触发铁死亡，从而导致耐药细胞的协同杀伤。因此，这项研究提出了一种新颖且可能具有转化潜力的代谢干预策略，用于克服晚期结直肠癌中的奥沙利铂耐药，并拓宽了植物来源小分子在精准肿瘤学中的应用前景。总之，这些研究为SL衍生抗癌剂提出了一个新兴的构效关系框架。在哺乳动物系统中，强效活性可能不需要完整的典型SL结构。相反，经过优化的SL启发类似物，如化合物6和SL39，可能通过改善的化学稳健性和细胞内持久性保留更强的抗癌效果。
4 抗炎生物学效应：炎症与氧化应激的双重调节
独角金内酯及其模拟分子通过抑制促炎介质的合成、拮抗典型的炎症信号转导通路以及激活抗氧化防御系统，从而增强对炎症反应中产生的氧化应激的细胞保护性反应，表现出明确的抗炎作用。体外和其他疾病相关实验表明，SLs的作用集中在调节炎症和氧化应激的双重作用机制上。一些新近发现的信号表明，基于SL的化学型也可能调节代谢性炎症并影响神经炎症过程。
4.1 抑制炎症介质和信号通路
虽然炎症通常是对损伤或感染的保护性反应，但慢性或过度的炎症可导致组织损伤和疾病状态。SLs在细胞水平表现出显著的抗炎活性。在实验动物中，GR24（合成SL类似物）在多种不同的实验模型中减少了炎症介质的产生并抑制了炎症信号转导。研究表明，用GR24处理后，LPS诱导的iNOS和COX-2表达显著降低，并且从分离的小鼠RAW264.7巨噬细胞释放的促炎细胞因子（如IL-6和TNF-α）减少。GR24抑制包括NF-κB在内的几种促炎转录因子的激活和核转位，并减少脂肪细胞中核NF-κB p65的积累，这可能随后导致TNF-α诱导的慢性低度炎症。虽然GR24对这些细胞系统的影响支持SLs可能通过阻断或破坏促炎信号转导通路来抑制炎症反应的观点，但GR24在未经刺激的细胞中测试时仅产生最小或无影响。因此，GR24很可能作为一种选择性抗炎剂，这一发现最终可能有助于识别和开发新的抗炎药物。
4.2 诱导抗氧化和细胞保护机制
据报道，GR24可激活Nrf2通路，这是抗氧化防御的主要调节因子，也能防止炎症相关的损伤。在基础条件下，Nrf2受到Keap1的抑制。基于分子对接，提出了GR24可能干扰Keap1-Nrf2复合物的推测性相互作用。然而，这仍然是一个计算预测，而非Keap1的直接生化验证。与此同时，GR24减少LPS诱导的几种炎症基因（包括iNOS、IL-1β和COX-2）的表达，并抑制NF-κB的核积累。Nrf2的激活不仅增强了抗氧化能力，还通过通路串扰限制了炎症细胞因子的产生，部分原因是Nrf2诱导的输出可以干扰NF-κB的激活，从而抑制促炎基因的转录。因此，通过启动内源性抗氧化防御，SLs可以直接减少氧化损伤并间接抑制炎症信号，这种双重作用模式可能与慢性炎症性疾病特别相关。
4.3 对代谢和神经炎症的影响
除了全身性免疫炎症，SLs也在代谢和神经炎症背景下进行了研究。在与代谢综合征相关的研究中，Modi等人报道GR24可减轻高脂饮食诱导的小鼠脂肪组织炎症，涉及激活SIRT1和下调脂肪生成及炎症相关基因的表达。GR24减少肥大脂肪细胞分泌的促炎因子，从而减轻肥胖相关的慢性炎症。在神经系统中，SLs已显示出抗神经炎症和神经保护活性，表明可能与阿尔茨海默病早期相关过程有关。据报道，一种SL类似物在LPS刺激的小胶质细胞中发挥多种作用，包括通过NF-κB、Nrf-2和PPARγ信号通路抑制促炎介质的释放，以及减少LPS诱导的神经元通透性改变。
5 展望：生物合成分支的灵活控制与药物转化挑战
最近的进展极大地推动了SL研究。从植物方面看，对SL生物合成复杂性的系统解析，特别是以P450s为代表的新酶的鉴定，已经阐明了结构多样性是如何产生的。这些进展丰富了对植物激素生物合成的基本理解，并支持了在农业上的应用。与此同时，SL研究正日益扩展到生物医学领域。大量的体外和体内证据表明，SL类似物通过多种机制表现出抗肿瘤和抗炎活性，包括抑制肿瘤血管生成、阻断自噬、诱导铁死亡、抑制炎症通路以及激活抗氧化反应。总之，这些发展强化了SLs可以从“植物激素”走向“候选治疗药物”的观点。未来的研究可能会明确地将植物酶学与药物化学相结合，利用生物合成方法来优先考虑支架类别，指导构效关系分析，并提高稳定性和靶点选择性。
然而，仍然存在一些局限性和挑战。首先，大多数SL的生物医学研究仍集中在药效学评估和机制探索上。在临床转化之前，其成药性和安全性需要更严格的评估。尽管SL是植物中重要的微量信号分子，但其在动物体内的代谢和潜在毒性特征尚不清楚。其次，SL可能具有较低的化学/代谢稳定性，这可能会限制其实际应用，例如GR24在溶液中会降解，并且对嘧啶核苷和含硫醇的生物分子敏感。因此，先导化合物的优化可能需要通过结构修饰来增强SLs的稳定性/安全性，同时改善其药代动力学特征。最后，SL的直接哺乳动物蛋白靶点仍未确定或未得到充分验证。尽管对接和通路水平分析已提示了可能的相互作用，包括与iNOS和Keap1，但直接的靶点结合尚未通过实验确立。使用药理学方法和化学生物学来识别和确认SL的功能性哺乳动物靶点，对于阐明所涉及的作用机制并从而指导新型SL药物的合理设计至关重要。
6 结论
总而言之，独角金内酯因其在植物生物学中的重要性而被认为是“信号强的小分子”，越来越多的证据表明它们在生物医学领域也具有跨界功能。研究主要集中在抗肿瘤/抗炎特性，然而，越来越多的证据表明这些化合物还具有更广泛的潜力，例如其抗糖尿病能力。随着更多研究者对这一领域产生兴趣，SLs将出现更多的治疗功能和机遇。未来的研究将聚焦于通过更深入的机制理解进行药物开发，包括结构优化、构效关系研究以及体内评估实验。特别是，进展将取决于区分植物结构特征与哺乳动物药效团要求、提高水解稳定性，以及为合成SL启发的化学型建立更清晰的构效关系框架。跨学科的合作努力可能有助于SLs从植物根系发展出新的医学篇章，为癌症和炎症性疾病等疾病的植物衍生疗法做出贡献。
