香精与香料—香叶醇

香叶醇（英语：Geraniol，又称牻牛儿醇）是一个非环单萜醇类化合物。它是玫瑰油、鲁沙香茅油和香茅油等香精油的主要成分之一，也少量存在于天竺葵和柠檬中。常温下为无色至黄色的油状液体，具有温和、甜的玫瑰花气息，味有苦感。难溶于水，可溶于有机溶剂中。香叶醇及其酯广泛用作日用香精和食用香精，是玫瑰系香精的主剂，用于配制日用产品和食品。

工业制备

工业上用β-蒎烯高温裂解生产月桂烯，然后使其在低温及氯化亚铜和有机季铵盐催化剂存在下与氯化氢加成，得到月桂烯的一级氯化物。将该氯化物与乙酸钠和含氮碱（如三乙胺）共热，得香叶醇、橙花醇和少量芳樟醇的乙酸酯混合物，经皂化反应水解，再蒸馏并仔细分馏便可得到香叶醇。

生物合成

1、工程大肠杆菌高效转化香叶醇

单萜香叶醇(3,7-二甲基- 2,6 -辛二烯-1-醇的反式异构体)，从花中释放出来，广泛应用于香水、制药等行业。香叶醇作为汽油的替代品，其吸湿性低、能量含量高、挥发性较低，优于乙醇。香叶醇是由香叶酰二磷酸(GPP)合成的，GPP在植物中由甲羟戊酸(MVA)途径或甲基赤藓醇磷酸途径合成。然而，虽然香叶醇的经济价值很高，但如果它只能从植物中自然提取，浓度很低，将极大限制了其开发和应用。因此，通过微生物宿主的代谢工程可以产生大量的增值产品。与植物不同，微生物通常不携带一种特定的GPP合酶(GPPS)，也不能制造单萜，只有少数酿酒酵母菌能够制造单萜(5 mg/L)。近年来，香叶醇已成功地在大肠杆菌和酿酒酵母中异源合成。金合欢基二磷酸合酶(FPPS)的突变允许GPP在含有单萜合酶的重组微生物中释放用于单萜合成。最近的一项研究表明，在没有外源香叶醇合成酶的情况下，突变的FPPS在酵母中积累GPP，可能通过内源性去磷酸化作用使香叶醇形成。即使在大肠杆菌中没有特定的GPPS或突变的FPPS，也可以通过过表达罗勒属(Ocimum basilicum)香叶醇合成酶(GES)来生成香叶醇，尽管GPP的释放机制尚不清楚。通过FPPS突变体与酿酒酵母GES的共同过表达，培养7天后获得5 mg/L香叶醇。通过过表达MVA途径的关键限速酶，同时携带调控基因MAF1和GES的酿酒酵母在培养48 h后，香叶醇的产量进一步提高到36.04 mg/L。到目前为止，香叶醇脱氢酶突变体大肠杆菌在培养48 h后，通过全MVA途径和GES产生的香叶醇值为182.5 mg/L。然而，对于工业应用来说，滴度仍然太低。

此外，香叶醇通常会在芳香植物中转化为其他萜类物质，从而影响蒸馏精油的品质。香叶醇脱氢酶催化柔花香叶醇转化为反式柠檬醛。类似地，一些葡萄酒酵母可以改变游离萜类成分，尽管它们只有有限的能力来生产单萜类化合物。酿酒酵母能够在OYE2酶的催化下将香叶醇转化为香茅醇，而ATF1醇乙酰转移酶参与了酿酒酵母发酵过程中香叶醇的乙酰化。与酵母的广泛研究不同，香叶醇在大肠杆菌中的生物转化很少被提及，直到最近，香叶醇在大肠杆菌中被YjgB酶脱氢和异构化成其他香叶醇(橙花醇、神经醛和香叶醇)。

因此，Liu等创造了一种有效的香叶醇生物合成菌株，并开发了一种新的高效发酵策略来提高香叶醇的产量。此外，我们还观察到在大肠杆菌中香叶醇和醋酸香叶醇之间的相互转化。对乙酸香叶酯水解成香叶醇的机理进行了研究和控制，进一步提高香叶醇的产量。

图1 通过本研究中使用的甲羟戊酸(MVA途径)产生香叶醇。参与该途径的酶：MvaE、粪肠杆菌乙酰CoA: 乙酰基转移酶/HMG-CoA还原酶；MvaS，粪肠杆菌HMG-CoA合成酶；ERG12，酿酒酵母甲羟戊酸激酶；ERG8，酿酒酵母磷酸丙二酸激酶；ERG19，酿酒酵母甲羟戊酸焦磷酸脱羧酶；IDI1，酿酒酵母IPP异构酶；GPPS2，大叶香叶酰基二磷酸合成酶；GES, O. basilicum 合成酶被优化为大肠杆菌的首选密码子使用。途径中间体：A-CoA，乙酰coa；AA-CoA acetoacetyl-CoA；β- hydroxymethylglutaryl-CoA；Mev-P，甲羟戊酸5-磷酸；Mev-PP，甲羟戊酸式焦磷酸钠；IPP焦磷酸异戊烯基，DMAPP焦磷酸二甲基烯丙基，GPP香叶酰二磷酸

2、谷氨酸棒状工程杆菌生产香叶醇

香叶醇是一种单萜醇，在食品、化妆品和保健中有多种应用。谷氨酸棒状杆菌是一个潜在的平台萜类生产，因为它承载甲基赤藓糖醇磷酸途径。为了将谷氨酰胺C. glutamicum转化为香叶醇，分别表达了两种不同的截断香叶醇合成酶(GESs)，表达该截断香叶醇合成酶的菌株LX02 (tVoGES)产生0.3 mg/L的香叶醇。然后，将3个香叶酰二磷酸合成酶(GPPSs)与tVoGES联合表达，以提高香叶醇的产量。香叶醇的产量均高于菌株LX02。菌株LX03与tVoGES共表达ERG20F96W-N127W (ERG20WW)的产量最高，为5.4 mg/L。随后，通过共同过表达1-脱氧-d -木酮糖-5-磷酸合酶(dxs)和异戊基二磷酸异构酶(idi)，菌株LX03的产量进一步提高到12.2 mg/L。最后通过发酵优化，香叶醇的产量提高到15.2 mg/L。据我们所知，这是谷氨酰胺工程生产香叶醇的首次报道，可为其他单萜的生产研究提供参考。

图2 谷氨酰胺棒状杆菌中香叶醇的生物合成途径(黑色箭头表示内源性途径，蓝色箭头表示外源性香叶醇合成步骤)。甘油醛3 -磷酸G-3-P;PA,丙酮酸;DXP 1-脱氧-d-木酮糖-5-磷酸;MEP,2-C-甲基-d-赤藓醇-4-磷酸；IPP,异戊烯基焦磷酸；二甲基丙烯基焦磷酸 DMAPP；GPP,香叶基二磷酸；FPP,法尼基焦磷酸；香叶香叶基焦磷酸 GGPP；GES，编码香叶醇合酶；GPPS，编码香叶酰焦磷酸合酶；dx，编码1-脱氧-d-木酮糖-5-磷酸合酶；Idi，编码焦磷酸异戊烯基异构酶；编码植物烯合酶的crtB和crtB2；以及编码GGPPS的idsA和crtE)

香叶醇的药理活性

1、香叶醇的药理作用综述

香叶醇(Geraniol，简称GE)是一种非环类异戊二烯类单萜类化合物，从香樟、缬草等多种芳香植物的精油中分离得到。从植物分离中提取的香叶醇来源有限，不能满足香精香料工业的巨大需求，需要通过生物技术限度地提高香叶醇的产量。香叶醇的多种活性表明，香叶醇可以作为一种很有前途的药物来治疗各种疾病。为了评价香叶醇在临床试验中的应用潜力，本文对香叶醇的药理作用进行了综述。从PubMed、ScienceDirect、Springer和Wiley数据库检索的出版物被收集并总结了过去6年的文献。然后，从香叶醇的抗肿瘤、抗炎、抗氧化、抗菌、保肝、保心、保神经等药理作用等方面探讨了香叶醇的潜在应用。因此，本文旨在为香叶醇的药理活性提供证据，为香叶醇作为一种临床应用候选药物的进一步开发提供依据。

(1)、细胞毒性和抗肿瘤活性

GE对各种类型的癌症具有细胞毒性和抗肿瘤活性。结肠癌是全球第四大癌症致死原因。最近的一项研究表明，GE能显著抑制结肠癌细胞株colo-205的细胞生长，IC50值为20µM。DAPI染色显示GE可诱导细胞凋亡，Western blot检测证实GE可上调Bax，下调Bcl-2。Bax是一种促凋亡的调节因子，Bcl-2是一种抗凋亡的调节因子。此外，GE诱导colo-205细胞的DNA损伤和细胞周期阻滞。子宫内膜癌是世界范围内女性常见的癌症。寻找治疗子宫内膜癌的新药物是一项值得研究的课题。最近的研究表明，GE治疗和预处理可通过抑制n-甲基-n'-硝基-n-亚硝基胍(150 mg/kg)诱导的雌性Wistar大鼠模型的癌基因和激活抑癌基因来抑制子宫内膜癌。GE的抑制作用在预处理组更为有效。Real-time PCR结果显示GE抑制K-ras、MAPK、PI3K和β-catenin的转录，Western blot结果显示GE增加磷酸酶、PTEN、孕酮受体和E-cadherin蛋白的表达。MAPKs包括JNK、p38和ERKs。K-ras、MAPK、PI3K和β-catenin是癌基因，PTEN、孕酮受体和E-cadherin是肿瘤抑制基因。从血管瘤中分离得到的内皮瘤细胞株eEND2容易生成血管。最近的一项研究显示，GE对内皮瘤细胞株eEND2具有抗血管生成作用。GE抑制内皮样eEND2细胞的迁移活动，同时抑制PCNA的表达。此外，GE可阻断VEGF/VEGFR-2信号的转导。VEGF促进癌细胞的血管生成。对血管生成的影响在体内得到验证:GE给BALB/c小鼠通过减弱VEGFR-2表达，减少ki67阳性细胞和cd31阳性微血管的数量。

在过去的几十年里，皮肤癌的发病率一直在增加。因此，确定一种治疗皮肤癌的新药物是很有价值的。最近的报道表明，GE显著抑制DMBA/TPA介导的瑞士白化病小鼠皮肤肿瘤的发生。GE抑制Ras/Raf/ERK1/2信号通路，诱导细胞凋亡。

(2)、抗炎和抗氧化活性

抑制炎症反应和氧化应激可防止器官受损，尤其是大脑。GE可显著降低TPA引起的LPO和炎症反应。进一步研究表明，GE促进炎症细胞代谢，增加GSH含量，刺激抗氧化酶活性。此外，GE对p38MAPK活性的改变有抑制作用，减轻了TPA引起的NF-κB和COX-2的表达变化。另一项研究也表明GE可以通过抑制COX-2来抑制炎症。GE通过刺激IL-10的产生，对帕米膦酸钠诱导的炎症反应有抑制作用。此外，GE对单核细胞没有毒性作用，也不影响TNF-α的产生。   

(3)、抑菌活性

白念珠菌是一种致人免疫功能低下的真菌致病菌，具有较高的致死率。最近的一项研究表明，GE治疗可减弱白色念珠菌和非白色念珠菌的活性。口服GE对病原菌生物膜形成和菌丝形态形成有抑制作用。GE通过下调质膜ATP酶活性和降低麦角甾醇水平来破坏细胞壁功能。GE通过促进钙调神经磷酸酶信号突变体的敏感性，同时增强对钙调神经磷酸酶过表达菌株的耐药性来抑制真菌的增殖。此外，GE破坏线粒体功能，破坏铁稳态，减轻遗传毒性。另一项研究表明，GE对白色念珠菌的最低抑菌浓度为16µg/mL，且其抑菌作用呈浓度依赖性。形态干扰试验表明，GE对伪菌丝和衣原体孢子的形成有抑制作用。红色毛癣菌是慢性皮肤病中最常见的真菌之一。GE可通过其抗真菌活性治疗皮肤的红色结核菌感染。高浓度GE能抑制菌丝和真菌的生长，也能抑制分生孢子的萌发。GE主要通过胞内物质的泄漏和抑制麦角甾醇的生物合成来破坏胞壁和细胞膜。

(4)、护肝效应

通过口服200 mg/kg GE可减轻蛋氨酸胆碱缺乏饮食诱导的大鼠非酒精性脂肪性肝炎。在该模型中，GE对肝脏的组织学评分、纤维化和凋亡均有抑制作用。在分子水平上，GE抑制血清中丙氨酸转氨酶和天冬氨酸转氨酶的活性。GE通过抑制肝脏线粒体ROS、线粒体电子传递链酶活性和线粒体DNA含量来保护肝脏线粒体功能。此外，GE能减弱丙二醛和3-硝基酪氨酸的形成，抑制肝脏中iNOS和细胞色素P450 2E1的表达。GE对肝脏炎症有抑制作用，抑制TNF-α、IL-6的表达和髓过氧化物酶活性。苏木精、伊红染色和PCR结果显示，在肺动脉高压(PH)为70%的大鼠中，GE表现出肝保护作用，腹腔注射GE可通过提高TNF-α和IL-6的表达水平促进肝组织再生。同时，GE显著抑制血清ALT水平，调节肝细胞功能恢复。GE是一种天然化合物，可以显著促进肝脏再生，在PH模型大鼠中注射GE 100 mg/kg。在机制上，GE增加NF-κB、TNF-α、IL-6 mRNA和蛋白表达水平，抑制HSP27、HSP60蛋白表达水平。通过腹腔注射50 mg/kg GE可部分恢复h2o2诱导的氧化应激模型大鼠的氧化性肝损伤。其机制是通过GE调节H2O2引起的丙二醛和谷胱甘肽的变化，并抑制肝脏过氧化氢酶活性。

(5)、护心效应

GE可减轻AD模型小鼠的高脂血症，降低冠心病的发生率。GE通过下调HMGCR和抑制脂肪生成来降低血脂。GE抑制LCAT，降低胆固醇酯水平。同时，GE处理可提高C反应蛋白的活性。GE保护心血管系统免受高血脂对身体的伤害。特别是，GE治疗降低血浆中总胆固醇和总甘油三酯的产生，并抑制肝脏脂肪酸、总脂质和非皂化脂质的生物合成。GE通过增加LDL mRNA和VLDL受体mRNA增加血清LDL摄取。最后，GE抑制甘油三酯的合成，降低脂肪酸合成。多年来，GE作为治疗高脂肪饮食引起的内皮细胞功能障碍的候选药物，引起了人们的关注。此外，GE可下调血清硫代巴比妥酸反应性物质和主动脉ROS的产生。GE可通过抑制主动脉中NOX-2的表达，保护高脂饮食诱导的血管内皮功能障碍。GE抑制ROS水平，减少心肌缺血-再灌注过程中的损伤，促进心肌细胞功能和活力。在新生大鼠心室心肌细胞中，GE可降低内源性ROS的产生，并对pAMPK水平产生正向调节，同时降低pERK1/2水平(pAMPK和pERK1/2是调节细胞存活的关键因素)。可见，GE对心肌细胞具有保护作用。GE通过抑制氧化应激和提高氧化应激标志物8-异前列腺素对糖尿病致心功能障碍具有心脏保护作用。

(6)、神经保护效应

在ACR诱导的果蝇神经损伤模型中，GE表现出神经保护作用，ACR引起的死亡率明显降低。GE补充可减轻acr诱导的氧化应激、线粒体功能障碍和神经毒性。其机制是随着解毒酶活性的增加而恢复谷胱甘肽和总硫醇水平。此外，GE与姜黄素同时给药对胆碱能功能有负作用，乙酰胆碱酯酶活性降低。帕金森病是指中枢神经系统长期退行性疾病，影响运动系统。在MPTP诱导的帕金森病(PD)小鼠模型中，GE预处理对PD引起的神经系统损伤具有保护作用。GE口服可通过增加酪氨酸羟化酶免疫反应性表达和降低α-突触核蛋白(synuclein)表达来改善神经肌肉功能障碍。GE可减轻mptp诱导的PD小鼠模型的运动行为和神经营养因子不足。另一项研究表明，在MPTP诱导的PD小鼠模型中，给药GE可调节Bcl-2/Bax比值，抑制细胞色素c和caspase-9的表达，从而减轻神经变性和运动紊乱。细胞色素c与心磷脂结合，释放出线粒体并引发细胞凋亡。Caspase-9是一种启动凋亡通路的酶。GE对转基因PD模型果蝇PD临床症状有抑制作用。GE通过降低GSH含量、增加蛋白质羰基含量、LPO和GST活性来调节氧化应激。GE显著抑制α-突触核蛋白表达，导致果蝇PD临床症状减弱。在脊髓损伤大鼠中，GE可通过给药减轻神经痛和功能损害。GE对NeuN阳性细胞有正向作用，但抑制损伤区胶质纤维酸性蛋白的表达，降低半胱天冬酶(caspase-3)的活性。此外，本研究还发现，GE处理可降低急性脊髓损伤(SCI)大鼠丙二醛和3-硝基酪氨酸水平，促进核因子红系2相关因子2和血红素加氧酶1蛋白表达，降低iNOS表达。综上所述，GE对脊髓损伤恢复有积极作用，可减轻神经性疼痛。因此，GE是治疗脊髓损伤的候选药物。

(7)、抗糖尿病效应

糖尿病是一种代谢紊乱，表现为高血糖水平，并可能导致各种并发症。在链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠模型中，GE可用于治疗糖尿病，GE给药45 d可降低血糖和血红蛋白HbA1C，并可恢复胰岛素反应。许多参与葡萄糖生产和利用的酶的活性被恢复，导致碳水化合物代谢的改善和葡萄糖稳态的恢复。在链脲佐菌素诱导糖尿病大鼠模型的另一项研究显示,GE治疗对糖尿病神经病变有保护作用,提高了感觉和运动功能减少酶的活动(例如,复合物I - III,琥珀酸脱氢酶,和柠檬酸合成酶)在坐骨神经细胞溶质和选定的大脑区域。GE能降低胞质钙水平和乙酰胆碱酯酶活性。同时，GE可以抑制羰基和亚硝酸盐蛋白。GE可通过抑制氧化应激和降低高血糖来减轻糖尿病引起的另一并发症，即糖尿病引起的心功能障碍。GE治疗可提高心脏收缩功能，恢复高血糖所致心脏舒张功能。此外，GE通过阻止8-异前列腺素的增加来显著抑制氧化应激。GE可减轻糖尿病或多发性硬化(MS)小鼠的血管反应性损伤，即GE以剂量依赖的方式改善糖尿病或MS暴露于甲乙二醛引起的血管过度收缩。该研究进一步证明，GE预孵育可改善血管收缩。此外，GE对电压依赖和受体介导的钙通道引起的血管收缩也有抑制作用。GE通过阻断这些钙通道减少受损血管的反应。

(8)、其他效应

在哺乳动物模型中，GE对哇吧因(ouabain)诱发的心律失常有抗心律失常作用。GE通过下调心脏收缩力来减轻哇吧因引起的心律失常。GE阻断了瞬时外向钾(K+)电流(59.7%)、非失活钾(39.2%)和内向整流钾(33.7%)，使动作电位持续时间增加了50%。GE还能降低左室压(83%)和心率(16.5%)。GE可使哇吧因诱发的心律失常起病时间延长128%，静息张力降低30%。

最近，从天然产品中提取的纯化合物被认为是有潜力的补充和替代药物，用于治疗各种疾病。一般来说，单一化合物可以靶向DNA、mRNA、蛋白质，甚至是microRNA。近几十年来，越来越多的证据表明，GE是一种纯植物化合物，无不良反应，主要通过调节蛋白表达发挥多种活性，有望成为治疗多种疾病的新型候选药物。GE对癌细胞的细胞毒性作用表明，GE可以治疗癌症，降低癌症患者的死亡率。GE的抗炎和氧化作用表明GE具有保护器官损伤和治疗溃疡性结肠炎的作用。GE的抗真菌活性表明其对真菌感染有一定的保护作用。GE的抗糖尿病作用说明GE具有治疗糖尿病的作用。GE的抗伤害感受活性表明GE可以作为一种镇痛药用于临床试验。然而，GE的抗癌作用还需要在更多的动物模型中进行体内研究，并在随后的人类患者中进行研究，以证实GE对恶性肿瘤的抑制作用。此外，值得探讨其药理作用的分子基础(如抗菌和抗心律失常活性)。缺乏有关GE的明确靶标的信息将是反对GE在临床试验中应用的一个原因。

2、香叶醇的抗肿瘤作用:调节肿瘤信号通路(综述)

香叶醇是一种膳食单萜醇，存在于芳香植物的精油中。迄今为止，实验证据支持香叶醇对乳腺癌、肺癌、结肠癌、前列腺癌、胰腺癌和肝癌等不同类型的癌症有治疗或预防作用，并揭示了其药理作用的机制基础。此外，香叶醇使肿瘤细胞对常用的化疗药物敏感。香叶醇控制多种代表肿瘤特征的信号分子和通路;香叶醇的这些作用抑制了肿瘤细胞获得抗肿瘤药物适应性耐药性的能力。在这篇综述中，我们强调香叶醇是一种很有前途的化合物或化学基团，可用于开发一种安全有效的多靶点抗癌药物。我们总结了香叶醇对癌细胞靶分子和通路的影响。本文综述了香叶醇研究面临的挑战和前景，以及香叶醇在未来临床研究中的应用。

图3 香叶醇对癌症的多重作用

香叶醇已被发现对多种癌症有效，包括乳腺癌、肺癌、结肠癌、前列腺癌、胰腺癌、皮肤癌、肝癌、肾癌和口腔癌(图2)。本文总结了香叶醇对各种癌症的治疗作用的分子机制。在癌症的特征中，使复制的永生和抵抗细胞死亡似乎是香叶醇最主要的目标。然而，需要强调的是，这可能是研究偏好或发表偏好:例如，香叶醇是否影响避免免疫破坏或激活入侵和转移尚未报道。给出了香叶醇在体外(细胞培养)和体内(异种移植或化学致癌模型)的有效剂量范围。

图4 对香叶醇敏感的癌症类型

参考文献

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