辣椒素合成的關鍵基因香草胺合成酶pAMT

 

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辣椒（chili pepper，Capsicum屬）是原生於中南美洲的植物。第一個發現辣椒的歐洲人應該是哥倫布（Christopher Columbus，1451-1506），他在1493年一月十五日的日誌裡寫道：「這裡有很多『aji』，也就是他們的胡椒（pepper），比黑胡椒還值錢，所有的人就只吃這個，對健康非常有益。每年約可裝滿五十艘輕帆船。」

雖然辣椒並沒有馬上得到重視，但現在辣椒卻成了僅次於鹽的最重要調味料：全世界最常用的調味料是鹽，第二名就是辣椒，用量為胡椒（第三名）的五倍。

辣椒素（capsaicin）辣椒的主要活性成分。它是由約翰·克洛夫·特雷許 (John Clough Thresh)在1876年命名的，後來卡爾·米科 (Karl Micko)在1898年成功從辣椒中分離出純淨的辣椒素。除了用於烹飪增加食物的辣味外，辣椒素還有多種其他用途：

1. 醫療用途:
- 局部止痛藥: 辣椒素具有鎮痛作用，通常用於製作外用藥膏或貼片，用於緩解關節炎、神經痛、背痛等引起的疼痛。
- 神經系統研究: 由於辣椒素能特異性地激活感覺神經元中的TRPV1受體，因此在神經科學研究中，它被用來研究疼痛和熱感知機制。

2. 食品工業:
- 香料和調味品: 辣椒素作為一種天然香料，廣泛用於提升食品的辛辣口味，例如在辣醬、腌制品和調味包中。

3. 農業:
- 生物農藥: 由於辣椒素對許多農業害蟲有驅逐或殺滅作用，因此在有機農業中，它常被用作一種天然農藥。

4. 非致命武器:
- 防狼噴霧: 辣椒素是防狼噴霧的主要成分，能夠快速致使攻擊者暫時失明和感到劇烈疼痛，從而提供自衛機會。但是常常被錯誤地翻譯成「胡椒」噴霧。

5. 化妝品工業:
- 促進血液循環: 在某些化妝品和頭皮護理產品中，辣椒素被用於刺激血液循環，有助於促進頭皮健康和頭髮生長。

這些用途展示了辣椒素在多個領域中的多功能性和實用性。

目前世界上辣椒素的生產主要靠從辣椒中直接萃取和化學合成：

1. 從辣椒中萃取:
- 直接從辣椒中萃取辣椒素是一種常見的方法。這種方法通常涉及使用溶劑如醇類或酮類來萃取辣椒素。這種方式的優點在於產品是天然來源的，對於食品和化妝品行業來說這一點特別重要。
- 但這種方法的缺點是成本較高，因為它需要大量的原材料（辣椒）和能源來進行萃取過程。

2. 化學合成:
- 化學合成是生產辣椒素的另一種方法。恩斯特·斯帕特和斯蒂芬·達令 (Ernst Spath and Stephen F. Darling)在1930年首次合成了辣椒素。目前工業上如Conagen公司已經成功開發出一種辣椒素發酵生產流程，用於食品、消費者和工業產品中。他們已經識別出辣椒素生物合成途徑中的關鍵基因，並成功展示了辣椒素、二氫辣椒素和非味辣椒素的生產概念。為了滿足對天然、低成本使用解決方案的需求，Conagen已經成功最佳化並放大了其發酵過程，以生產這些化合物。
- 化學合成的優點在於它可以大規模生產，成本相對較低。此外，這種方法還允許生產特定類型的辣椒素異構體，這在某些特定應用中可能特別有用。

目前，兩種方法都被廣泛應用，選擇哪一種主要取決於所需辣椒素的用途、所需的量以及成本效益考量。例如，食品和化妝品行業可能更傾向於使用天然萃取的辣椒素，而工業應用或研究用途可能更多地依賴於化學合成的產品。

對於從辣椒中萃取辣椒素的方法，如果可以讓辣椒生產更多辣椒素當然可以提高產量。這方面，一直都有育種專家在持續努力：如Ed Currie就在今年培育出269萬史高維爾單位的pepper X。但是，如果能深入瞭解辣椒合成辣椒素的機制，想必在育種上可以有更大的進步。

最近日本的研究，就針對一個辣椒素的關鍵基因「香草胺合成酶pAMT」進行研究。pAMT是辣椒素生物合成途徑中的基因，負責將胺基從香草醛轉移到香草胺，pAMT與γ-胺基丁酸轉胺酶（GABA-T）家族酶具有相似性，這類酶主要在粒線體中參與GABA的分解，轉化為琥珀酸半醛，進而進入三羧酸循環。

研究團隊收集了辣椒基因體中的pAMT同源基因，對它們的序列和表現模式進行了特徵描述。通過對pAMT和其他植物GABA-Ts同源基因的系統發育分析和基因體共線性分析，比較了pAMT與其他植物GABA-Ts的香草胺合成酶活性。

研究團隊發現，pAMT是茄科特有的細胞質GABA-T成員。它是負責辣椒果實中香草胺生產的酶，與GABA-T有同源性。pAMT是為辣椒素生物合成專門演化出來的GABA-T，具有高催化效率和獨特的轉錄模式。

研究團隊比較了來自番茄的重組SlGABA-T2和SlGABA-T4蛋白與來自辣椒的pAMT的酶活性，發現pAMT的香草胺生產能力高於這些番茄蛋白。這顯示從祖先GABA-T到pAMT的氨基酸序列變化是辣椒素生物合成途徑中建立香草胺合成的重要因素之一。

研究團隊比較了番茄與阿拉伯芥（Arabidopsis）的類似基因。番茄有四個γ-胺基丁酸轉胺酶（GABA-T）同源基因，即SlGABA-T1到T4。這些同源基因被分類為三種不同的類型​​。研究中使用了番茄的重組SlGABA-T2和SlGABA-T4蛋白，比較它們與辣椒中pAMT的香草胺合成酶活性。結果顯示，辣椒的pAMT蛋白的活性明顯高於這些番茄蛋白。

阿拉伯芥的基因體中只包含一個位於粒線體的GABA-T基因（AtGABA-T）。AtGABA-T在GABA分解途徑中負責將GABA轉化為琥珀酸半醛。研究團隊發現，AtGABA-T突變體在生殖和抗逆性方面表現出異常，顯示AtGABA-T在這些生物學過程中扮演著重要角色。此外，研究團隊還比較了阿拉伯芥GABA-T（去除線粒體轉運信號後）與辣椒pAMT在轉化香草醛為香草胺方面的能力，結果顯示阿拉伯芥GABA-T的能力遠低於其他蛋白。

除了活性上的差異外，辣椒的pAMT長度與番茄的SlGABA相差的並不多（459 vs. 458胺基酸），但是在序列的相似度上，辣椒的pAMT與番茄的SlGABA約為85-86%，而去除線粒體轉運信號後的截短版本的AtGABA-T與pAMT之間則為75%。

雖然目前尚未明確哪些特定的胺基酸殘基決定了pAMT對香草醛的高催化效率，但是這些結果顯示，從祖先GABA-T到pAMT的胺基酸序列變化是辣椒素生物合成途徑中建立香草胺合成的重要因素之一。

參考文獻：

The Plant Journal. doi: 10.1111/tpj.16573