十字花科植物主产蔬菜和油料作物，蔬菜包括西兰花，萝卜，芥菜，花椰菜，甘蓝等，数量庞大，占据了蔬菜半壁江山；芸薹属是其中最主要的食用蔬菜，营养丰富，还含有许多有价值的抗癌成分，如维生素、黄酮花青素、胡萝卜素，硫代葡萄苷等。
《science》曾经报道西兰花中天然化合物吲哚-3甲醇的强效抗肿瘤功能（Lee, 2019），之前很多朋友说要每天吃5斤西兰花，其实是对文章理解有歧义，最近《cell》报道⼗字花科蔬菜中硫代葡萄苷物质的吸收需要特定肠道菌（Liou，2020），同时需要减少糖类的摄入，提供硫苷物质吸收，本次结合这2篇文章一起探讨硫代葡萄苷物质的分类和代谢。
一、硫代葡萄糖苷：含硫的阴离子亲水性植物次生代谢产物，广泛分布在十字花科植物中。
核心结构：β-D-葡萄糖连接（磺酸盐醛胯基团+氨基酸侧链R）；
二、分类：根据侧链R基团的不同，可以把硫代葡萄苷分为脂肪族（蛋氨酸，丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸）、芳香族（酪氨酸，苯丙氨酸）和吲哚族（色氨酸）三大类
图1 硫代葡萄糖苷
三、硫代葡萄苷的合成：了解硫代葡萄苷的结构分类，那么大概合成途径也就比较清楚了，这三类硫代葡萄苷合成略有差别，如丙氨酸、蛋氨酸、撷氨酸、亮氨酸或异亮氨酸可以合成脂肪族硫代葡萄苷，苯基丙氨酸或酪氨酸可以合成芳香族硫代葡萄苷，色氨酸可以合成为吲哚硫代葡萄苷。现在被广泛认可的硫代葡萄苷合成步骤包括：氨基酸转化和侧链延长、合成葡萄糖苷、合成硫代葡萄苷。其中MYB，MAM，CYP，APO等合成基因家族起重要作用。
图2 硫代葡萄苷生物合成途径及注意合成调节基因（xiu，2004）
1）MYB基因组家族，植物中广泛的一类转录因子基因家族，受激素或者损伤后可以起始脂肪族硫代葡萄苷和吲哚类硫代葡萄苷的合成；MYB过表达可以增加这2类硫代葡萄苷的含量；
2）MAM基因组家族，甲硫烷基苹果酸合成酶，合成脂肪族硫代葡萄苷侧链；研究表明MAM突变体研究可以改变硫代葡萄苷成分，增加抗病性；
3）CYP基因家族合成中间体乙醛胯；研究表明通过CYP可以改变侧链长短，增加抗虫能力；
4）APO基因家族，硫代葡萄苷合成最后一步侧链的修饰，包括羟化，甲基化，氧化和去饱和等；研究表明APO等位基因的多样性可以影响硫代葡萄苷抗虫能力。
四、硫代葡萄苷的代谢
硫代葡萄苷降解过程相对主要过程如下，硫代葡萄苷分子硫代部位通过内源芥子酶水解产生一个葡萄糖和一个不稳定的糖苷配基，随后不稳定的糖苷配基根据不同环境生成不同产物：失去一个葡萄糖，形成一个不稳定中间体，然后根据R基进一步水解为异硫氰酸盐、腈、异硫腈和硫氰酸盐等化合物。降解产物不仅与硫代葡萄苷结构有关，也与反应条件有关。
图3 硫代葡萄苷降解反应（xiu，2004）
1）吲哚类硫代葡萄糖苷：如3-吲哚甲基硫代葡萄糖苷在酶的水解下会产生吲哚3-甲醇、吲哚-3-乙酰腈等化合物。
2）含有羟基侧链的硫代葡萄糖苷，降解生成2-S-恶唑烷，芸苔属蔬菜的苦味与2-烯丙基硫代葡萄苷和顺-2-羟基-3-丁烯基硫代葡萄苷相关。
3）环境PH条件不同产物偏好性如上图下，中性PH易形成异硫氰酸脂；酸性PH条件下，易形成主要产物腈衍生物；
五、结合2篇文章分析
1.《science》曾经报道西兰花中天然化合物吲哚-3甲醇的强效抗肿瘤功能（Lee, 2019），就是吲哚类硫代葡萄糖苷分解产物。我们⼈体癌症的发生是致癌基因和抑癌基因相互博弈的过程。PTEN基因就是⼀种众所周知肿瘤抑制基因。⼀旦PTEN基因发⽣突变，就会影响⼈体的抑癌功能，正常情况下，癌细胞内的PTEN⽔平是较低的，那么是不是在癌症环境中将PTEN活性恢复到正常⽔平就可以释放其抑制肿瘤的活性了？
科学家通过给易患癌症的⼩⿏食⽤吲哚-3甲醇，进⾏临床验证。发现⻄兰花中天然存在的成分吲哚-3甲醇真的能使WWP1失活，释放PTEN肿瘤抑癌能⼒。但是要达到实验中的效果，需要每天使用5～6斤西兰花，这个是根本达不到的。注意这里说的是癌症环境下恢复PTEN活性；我们正常人PTEN活性是正常，因此每天食用西兰花80g左右即可，也就是每周2～3次西兰花，每次300g左右，这个我们完全可以做的。
在遗传改良方面，如何增强西兰花的抗癌性呢？有研究人员可以通过农杆菌渗透和超表达BroMYB28基因均能够在西兰花叶片中积累硫代葡萄糖苷。然而两者的诱导机制却有些不同：BroMYB28基因超表达诱导了BroMYB28基因和BroMYB29基因的转录，而农杆菌渗透只诱导了BroMYB29基因的转录（Kim，2019）。
图4 吲哚-3甲醇抑癌的机制（Lee, 2019）
2.硫代葡萄糖苷的降解产物异硫氰酸酯可以降低⾎糖和⼼⾎管风险，《cell》报道⼗字花科蔬菜中硫代葡萄苷物质的吸收需要特定肠道菌（Liou，2020）。
之前已经发现乳酸菌、双歧杆菌和拟杆菌，具有将硫代糖苷转化为异硫氰酸酯的能⼒。具体机制不清楚，研究⼈员在体外培养了⼏种从⼈体中分离获得的Bt菌株，检测了它们把硫代糖苷转化成异硫氰酸酯的能⼒。不同的菌株，异硫氰酸酯的产量差异巨⼤，最多和最少的差了10倍以上。通过对这些菌株的基因对⽐分析显示，BT2157（糖苷⽔解酶）、BT2158（氧化还原酶）和BT2160的缺失，都会影响异硫氰酸酯的产⽣。
图5 左图：不同多型拟杆菌产⽣异硫氰酸酯的能⼒；
右图：不同种类的糖都会抑制菌群代谢硫代糖苷，减少异硫氰酸酯的产⽣（Liou，2020）
序列分析发现这⼏个基因位于同⼀个操纵⼦上，经常⼀起转录表达也是多形拟杆菌中许多糖类代谢的关键位点，在富含葡萄糖的培养基中，只有在培养后期才开始有异硫氰酸酯⽣成。也就是说，多形拟杆菌会优先利⽤葡萄糖，只有葡萄糖耗尽后，才会开始代谢硫代葡萄糖苷，产⽣异硫氰酸酯。其它⼀些糖类，⽐如⽢露糖、半乳糖、⻨芽糖等等，也会被菌群优先利⽤，从⽽抑制异硫氰酸酯的产⽣。他们把BT2157突变的多形拟杆菌移植给了⽆菌⼩⿏，喂食低糖⿏粮和硫代糖苷或者西蓝花。通过对⼩⿏尿液的分析，研究⼈员发现移植BT2157突变型Bt的⼩⿏，尿液中的异硫氰酸酯代谢物明显低于移植野生型细菌的⼩⿏。
最后作者综合分析：⼈类要从⼗字花科蔬菜中获取异硫氰酸酯，离不开⼀些携带特定基因的肠道菌。⽽要想充分吸收异硫氰酸酯，可能还得少吃点碳⽔化合物。
1.Lee, Y. R., Chen, M., Lee, J. D., Zhang, J., Lin, S. Y., Fu, T. M., ... & Zhang, Y. (2019). Reactivation of PTEN tumor suppressor for cancer treatment through inhibition of a MYC-WWP1 inhibitory pathway. Science, 364(6441), eaau0159.
2.Liou, C. S., Sirk, S. J., Diaz, C. A., Klein, A. P., Fischer, C. R., Higginbottom, S. K., Sattely, E. S. (2020). A Metabolic Pathway for Activation of Dietary Glucosinolates by a Human Gut Symbiont. Cell, 180(4), 717-728.
3.Kim, Y. C., Cha, A., Hussain, M., Lee, K., & Lee, S. (2019). Impact of Agrobacterium-infiltration and transient overexpression of BroMYB28 on glucoraphanin biosynthesis in broccoli leaves. Plant Biotechnology Reports, 1-8.
4.修丽丽； 钮昆亮. 十字花科植物中的硫代葡萄糖苷及其降解产物. 浙江科技学院学报, 2004, 16.3: 187-189.
5.李娟, 朱祝军. (2005). 植物中硫代葡萄糖苷生物代谢的分子机制 (Doctoral dissertation).
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