北大团队阐明红花活性成分的生物合成途径

在《本草纲目》记载的千余种草药中，红花（Carthamus tinctorius）的金黄色花瓣因其活血化瘀的功效独树一帜。现代医学发现，这种功效的核心来自一种名为羟基红花黄色素 A（HSYA）的化合物，其具有醌式查耳酮双碳苷的独特结构。HSYA 不仅是红花注射剂治疗心脑血管疾病的主要成分，更是一款已完成 III 期临床试验的治疗急性缺血性脑卒中候选药物。

目前，人们对 HSYA 的生物合成知之甚少。更令人疑惑的是，HSYA 为何仅在红花中特异性积累？

为破解这一谜题，北京大学叶敏教授团队通过多种方式，系统解析了 HSYA 的生物合成机制，并鉴定了 4 个关键酶，为 HSYA 的绿色生产提供了新思路。相关成果发表在 Nature Communications，题为“Elucidation of the biosynthetic pathway of hydroxysafflor yellow A”。

通过液相色谱-质谱法分析，研究团队发现 HSYA 仅存在于花中，且在花蕾中高效积累，而盛花期花朵中含量骤降。

根据其化学结构，推测 HSYA 可能由查耳酮经羟基化、C-糖基化及去芳构化等步骤生成。而查尔酮通常由查尔酮合酶（CHS）从香豆酰辅酶 A 和丙二酰辅酶 A 生物合成。红花不同时期的转录本数据显示，查尔酮合酶 CtCHS 在花蕾中表达水平较高，随着花的成熟，CtCHS 的表达下降。

基于上述生物合成路径，研究人员推断 UDP 依赖性糖基转移酶 (UGT) 和细胞色素 P450 酶可能参与了 HSYA 的生物合成。

通过筛选，在红花中得到两个UGT（CtAH10T0218300.1和MSTRG.178.6）及一个P450（CtAH11T0228700.1）候选基因。系统进化树分析表明，MSTRG.178.6 与 2-羟基黄烷酮 C-糖基转移酶聚簇，而 CtAH11T0228700.1 与黄酮羟化酶聚簇，提示上述两条基因很可能参与 HYSA 的生物合成。

通过实验证明，CtCGT 和 CtF6H 分别表现出 C-糖基化和羟基化活性。采用病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术证明，CtCGT 和 CtF6H 参与体内 HSYA 的生物合成。进一步挖掘到了 Ct2OGD1 也参与 HSYA 的合成。

为了探索HSYA的具体生物合成过程，研究者将CtCGT、CtF6H 和 Ct2OGD1 三条基因在烟草中瞬时表达，分别饲喂可能的前体，并推测柚皮素是 HYSA 生物合成的关键前体。

研究团队逐步解开了 HSYA 的合成密码。整个过程始于 CtF6H 这个细胞色素 P450 酶在前体物质柚皮素的 6 号位添上羟基，生成关键中间体红花素。随后，CtCHI1 催化其异构化为查耳酮中间体，Ct2OGD1 与 CtCGT 协同完成双 C-糖基化及去芳构化反应，最终生成 HSYA。

酶的亚细胞定位直接影响合成效率。荧光标记显示，CtF6H 定位于内质网，负责前体修饰；而 CtCGT、Ct2OGD1 和 CtCHI1 则分布于细胞质与细胞核，形成“合成流水线”。为揭示酶协作的分子基础，团队通过分裂萤火虫荧光素酶互补成像实验（SFLC）和双分子荧光互补成像实验（BiFC）显示，CtCGT 与 Ct2OGD1 之间存在相互作用。微量热泳动试验（MST）进一步测定两者结合强度，从结构上解释了这对“酶搭档”如何通过稳定结合实现高效催化。

研究团队并未止步于机制解析，而是将成果转化为生产应用。通过将红花关键基因导入本氏烟草，成功实现了 HSYA 的从头合成。该策略避免了传统提取法对红花资源的依赖，为规模化生产提供了绿色路径。

此外，团队发现 1341 种植物中仅有 29 种同时具备 CtCGT、CtF6H 和 Ct2OGD1 的同源基因，但红花的独特性还源于两大进化选择：一是缺乏黄烷酮 2-羟化酶（F2H），避免前体流向普通黄酮 C-糖苷的竞争路径；二是关键酶基因的时空共表达，这在自然变异体“白花”中得到验证，尽管其他基因正常表达，CtF6H 的低表达直接导致 HSYA“消失”。这也提示为何 HSYA 仅存在于红花中。

综上所述，本研究阐明了 HSYA 独特的生物合成途径，并解释了其仅存在于红花中的原因。该研究结果为进一步阐明该途径的详细机制奠定了重要的基础，并展示了利用合成生物学技术制备 HSYA 作为有前景的在研新药的潜力。

1.Wang, ZL., Wang, HT., Chang, G. et al. Elucidation of the biosynthetic pathway of hydroxysafflor yellow A. Nat Commun 16, 4489 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59774-3

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