辅酶Q的生物合成及其最新进展

崔铁忠　卢康荣　李银霞　王万山

【摘 要】辅酶Q是线粒体电子传递链的重要组成成分，它介导电子从复合物I和复合物II传递到复合物III。近年来，随着研究的不断深入，辅酶Q在其他方面的功能逐渐被发现，促进了其作为药品和保健品的广泛应用。对于辅酶Q的生物合成途径，从低等到高等真核生物都是高度保守的，以在简单真核生物酵母中的研究尤为清晰。辅酶Q的生物合成包含多个步骤，多数参与基因已被发现，但有些基因功能还未知。本文综述了近年来辅酶Q生物合成的最新进展，以期为后续研究提供帮助。

【关键词】辅酶Q；线粒体；抗氧化剂；电子传递链

0 引言

辅酶Q是由苯醌环和聚异戊二烯侧链构成的小分子化合物，以氧化型和还原型两种形式存在于线粒体中。它的主要作用是介导线粒体电子传递和作为抗氧化剂[1]。在电子传递链中，它接受来自复合物I和复合物II的电子并传递给复合物III，从而最终促进能量的合成[2]。作为人体内唯一能自我合成的抗氧化剂，辅酶Q可以有效地清除线粒体膜上的活性氧自由基[3-4]。因此，本综述将以酵母辅酶Q合成途径为基础，进一步展开并概括最新的研究进展。

1 辅酶Q合成概况

辅酶Q在不同的物种中链长有所差异，比如出芽酵母合成辅酶Q6，线虫和啮齿动物合成辅酶Q9，人类合成辅酶Q10[5]。这一差异主要由存在于不同生物体内的聚异戊二烯侧链合成酶决定的。但总体而言，辅酶Q的生物合成途径从简单的酵母到人都是高度保守的，我们所知道的辅酶Q合成基因都是首先在酵母中分离和鉴定的。辅酶Q的生物合成是以对羟基苯甲酸甲酯（PHB）为初始底物、经过多步生物化学反应而合成。这些步骤包括异戊二烯侧链的合成和转移，苯环的甲基化、脱碳和水化。到目前为止，所有参与辅酶Q合成的基因已经通过遗传筛选的方法分离，但有些基因的功能还未知[6-7]。

2 辅酶Q的生物合成基因研究进展

2.1 CoQ1

CoQ1是聚异戊二烯合成酶，以法呢酰基二磷酸（FPP）或香叶基香叶基焦磷酸 （GGPP）和异戊二烯（IPP）作为底物，可合成长链（C30-C50）聚异戊二烯。CoQ1及其同源蛋白大多含2个DDXXD基序，用于同底物相互作用。最近，细菌中CoQ1的同源酶IspB的结构已经解析，其与FPP合成酶的结构极为类似。有意思的是，出芽酵母CoQ1和拟南芥Sds1（Solanesyl diphosphate synthase）是同源二聚体或多聚体[8]，而在高等哺乳动物体内为异源二聚体或多聚体[9]。例如，人体内聚异戊二烯合成酶包含两个不同的亚基，Dps1（Decaprenyl diphosphate synthase ）和Dlp1（D（aspartate）-less polyprenyl diphosphate synthase）。Dps1同大多数聚异戊二烯合成酶序列高度保守，但Dlp1明显缺乏富含天冬氨酸的基序。Dlp1在体内发挥着非常重要的作用，有证据表明，DLP1基因突变可导致肾脏疾病的发生[10-11]。

2.2 CoQ2

CoQ2是PHB：聚异戊二烯转移酶，它负责聚异戊二烯转移到辅酶Q苯环上。CoQ2介导的生物化学反应产生第一个亲脂的辅酶Q代谢中间物[12-13]。Coq2及其同源酶对底物的专一性要求很低。例如，大肠杆菌UbiA可催化不同链长（n=2-9）的异戊二烯链的转移。同样，酵母的COQ2基因可以挽救大肠杆菌UbiA 缺陷型菌株[14]。有关证据表明，CoQ2的酶活性显著性得受线粒体内镁离子浓度的影响。CoQ2蛋白包含2个保守性的底物结合位点，6个跨膜区域和1个典型N末端线粒体定位序列。生物化学实验进一步证明，CoQ2是位于线粒体内膜上的朝向基质的膜整合蛋白。CoQ2基因与植物和线虫的生长发育密切相关，有报道称，线虫COQ2突变体的发育与野生型相比明显迟缓[15]。

2.3 CoQ3

CoQ3是甲基转移酶，体外试验证明它负责辅酶Q苯环O-甲基化。CoQ3基因首先是在出芽酵母中分离出来的，随后，通过在酵母中的功能互补试验分别在植物，大鼠和人类中分离了CoQ3同源基因[16-17]。CoQ3含有甲基转移酶家族的4个保守序列，而且它使用S-蛋氨酸作为甲基化底物。CoQ3蛋白的N-末端含有一个典型的线粒体定位序列。生物化学实验表明，CoQ3与线粒体内膜相连，并朝向线粒体基质。体外试验证明，CoQ3对底物的专一性很低，能使用多种底物并催化其甲基化，这一特点同邻苯二酚甲基转移酶十分相似，但二者并不具有明显的氨基酸序列同源性[18-19]。

2.4 CoQ4

CoQ4参与辅酶Q的合成，但其功能还未知。同CoQ3一样，CoQ4基因也是通过突变体筛选的方式发现的[20-21]。CoQ4 mRNA水平在呼吸性培养条件下显著提高，这与其参与辅酶Q合成的推断是完全一致的。尽管如此，CoQ4和已知功能蛋白不具有共同的保守序列，因此它的功能还并不是十分清楚。CoQ4位于线粒体基质侧的内膜上，与CoQ3，CoQ6 和CoQ7可能形成大分子量的高分子复合物。这表明，尽管CoQ4并没有酶催化活性，但其可能参与CoQ蛋白复合物的形成和稳定[22-23]。

2.5 CoQ5

CoQ5是第二个参与辅酶Q合成的甲基转移酶。和CoQ3属于同一家族，含有甲基转移酶的多个保守基序，但CoQ5属于C-位的甲基转移酶[24]。生化实验表明，与CoQ3相同，CoQ5对底物的专一性也很低，可以作用于不同侧链长度的中间代谢物的甲基化。值得一提的是，NADH在CoQ5催化过程中可以显著地提高其活性。CoQ5基因启动子序列含有多个转录因子的结合位点，包括Rtg1/2/3和Hap2/3/4，这些转录因子调控CoQ5在不同生长条件下的表达。有研究表明，当酵母在甘油作为碳源的生长条件下培养时，其表达水平显著提高，但在葡萄糖生长条件下表达被抑制。作为CoQ蛋白复合物中的重要组成成分，CoQ5对于复合物的稳定性和活性都起着至关重要的作用[25]。

2.6 CoQ6

同许多CoQ基因一样，CoQ6也是通过功能互补性实验首先在酵母中分离出来的。与前期报道的数据不同，尽管CoQ6对于呼吸不可或缺，但对于酵母的生长并不是不可缺少的[26-27]。CoQ6运送到线粒体依赖于线粒体膜的电动势，其穿过双层膜并被运送到线粒体基质中。通过与其他CoQ蛋白的相互作用，CoQ6与线粒体内膜相连。CoQ6在酵母中被发现之后，又陆续在人、啮齿动物和线虫中被报道。这些蛋白含有3个共同的结构域：ADP结合区域，FAD/NADH结合域和第二个FAD结合域。这些结构域普遍存在于依赖于黄素的羟化酶家族中。基于此，科学家推断CoQ6的主要功能是对辅酶Q苯环进行羟化化学修饰[28-29]。

2.7 CoQ7

CoQ7被几个不同的研究小组独立地证明其参与辅酶Q的合成。CoQ7是继CoQ6之后被发现的第二个参与辅酶Q苯环羟化修饰的酶[30]。CoQ7多个点突变体被分离并被证明其具有与knockout突变体不同的功能。这表明，CoQ7不仅具有化学修饰的功能，而且可能参与CoQ复合物的形成或者维持其稳定性。CoQ7蛋白具有结合铁离子的EXXH基序，并且这一基序普遍存在于羟化酶家族中，这进一步证明了CoQ7是辅酶Q合成的羟化修饰酶。在以前分离的CoQ7 E194K突变体中，有学者发现其他CoQ亚基的蛋白稳定显著提高，从而证明了CoQ7参与CoQ蛋白复合物的合成[31]。有意思的是，与以前的研究证据不同，最近Clarke小组证明，CoQ7定位于线粒体基质、并于内膜相连，而并不是一个内膜整合蛋白。这一重要结果有利于人们对CoQ复合物组装的研究[32]。

2.8 CoQ8

CoQ8蛋白是辅酶Q合成的关键酶，但是多年前它被鉴定为线粒体复合物III缺陷的抑制分子[33]。随后，实验证明突变体中关于复合物III的缺陷是由辅酶Q的缺乏所引起的[34]。最新文献表明，CoQ8含有蛋白激酶家族的保守基序，因此研究者推测CoQ8可能参与CoQ蛋白的磷酸化过程，从而调节其活性[35-36]。

2.9 CoQ9

CoQ9是最新发现的参与辅酶Q合成的基因，但其功能还未知。CoQ9同源蛋白在其他真核生物和原核生物中广泛存在，但它们并不含已知功能蛋白的功能序列[37]。有数据表明，CoQ9参与CoQ高分子复合物的形成，而且过表达CoQ8能够克服CoQ9突变体的缺陷，表明了CoQ9和CoQ8的紧密联系。CoQ9的实际分子量为25 kDa，远小于预测的29.9 kDa，这主要是因为成熟蛋白的线粒体定位序列被切掉。同多数CoQ蛋白一样，CoQ9也与线粒体内膜相连，并朝向线粒体基质[38-39]。

2.10 CoQ10

CoQ10蛋白的命名暗示其应该参与辅酶Q的合成，但CoQ10实际上是CoQ10结合蛋白[40-41]。CoQ10位于线粒体基质内，但并不参与线粒体电子的传递。CoQ10基因的发现不仅扩展了我们对于CoQ基因的认知，也改变了我们辅酶Q的传统观念：辅酶Q并不是在线粒体内膜上自由移动的脂溶性小分子化合物。最近，CoQ10基因在裂殖酵母中也被发现[42]。Spcoq10可以有效的结合辅酶Q，参与辅酶Q介导的各种生物化学反应，其作用可能类似于蛋白的分子伴侣，但CoQ10的具体作用机制还有呆于进一步研究发现[43-45]。

3 总结和展望

辅酶Q现已成为非常流行的保健食品，在中国和世界上都有巨大的市场。相对于辅酶Q的生产，对它的生物合成的基础研究还是十分滞后，在一定程度上限制了提高辅酶Q的工业生产效率。本文综述了已知的参与辅酶Q合成和调节的基因及其参与的生物化学反应，但具体机制还有呆于进一步研究。在下一步的研究中，研究的重点将会具体分析各个Coq蛋白是如何相协调，从而控制和调节辅酶Q合成的。以酵母为主导的研究可能将继续在突变体筛选的基础上发现新的辅酶Q的合成和调节基因，从而为全面理解辅酶Q的生物合成途径和指导工业化生产做出贡献。

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[责任编辑：杨玉洁]