導(dǎo)言

我的老友（朱張生），一線植物科研人員，是少有的我所認(rèn)識(shí)的具有極強(qiáng)科研業(yè)務(wù)素質(zhì)與能力的青椒。我完全有信心，預(yù)見不久將來，他必然大有作為。一切只等時(shí)間。前幾日，辣椒素受體相關(guān)工作拿了諾獎(jiǎng)，而朱老友多年從事辣椒素相關(guān)研究?；艘环焦Ψ颍K于邀請(qǐng)到他，寫來一份稿件，詳細(xì)介紹辣椒素與辣椒素受體的研究工作與進(jìn)展。與大伙共享，詳細(xì)如下。-- CJ-陳程杰

寫在前面

最近看到諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了兩位做感知溫度和觸覺感受器研究領(lǐng)域的大牛大衛(wèi)·朱利葉斯(David Julius)和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)，感覺實(shí)至名歸（圖1）。1997年DavidJulius發(fā)表了采用巧妙方法鑒定出了辣椒素受（TRPV1），從而開啟了感知受體研究的新發(fā)方法和熱潮。筆者研究生和博士后期間從事辣椒素生物合成和調(diào)控相關(guān)研究，到目前已有9年有余。記得2019年夏威夷大學(xué)李慶孝教授到華南農(nóng)業(yè)大學(xué)交流訪問，我負(fù)責(zé)到機(jī)場(chǎng)接機(jī)，在回來的路上李教授問我研究什么的，我說是研究辣椒素生物合成的，他說：“我認(rèn)識(shí)加州大學(xué)舊金山分校做辣椒素受體研究的David Julius，我覺得他這項(xiàng)成果未來會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)”。果不其然，在今年各大風(fēng)向標(biāo)都沒有預(yù)測(cè)到的情況下，有人兩年前就預(yù)測(cè)到了。本文只是簡單介紹了辣椒、辣椒素和辣椒素受體研究。

圖1?

辣椒，中國美食界里信徒遍布的一個(gè)存在。從豆瓣醬到老干媽，從麻辣香鍋到酸菜魚，從琳瑯滿目的辣條到飄滿紅油的火鍋…辣椒，憑借其獨(dú)有的熨帖食道的能力，自傳入中國伊始便在食壇上叱咤了400年。改革開放以來，中國經(jīng)歷了三次辣味沖擊波：第一次是水煮魚，第二次是麻辣香鍋，第三次是麻辣小龍蝦。在某種程度上如同著名的解放戰(zhàn)爭，波及面之廣，涉及人數(shù)之眾，改變國人口味之深刻，都是前所未見。經(jīng)此三大戰(zhàn)役，辣椒用重口味改寫了中國美食江湖的版圖。辣，漸漸變成一種國民口味。我國在辣椒種植面積、辣椒產(chǎn)量、辣椒消費(fèi)量、吃辣椒的人數(shù)等數(shù)據(jù)上，均居世界第一。辣椒以其獨(dú)特的辣味在餐桌流行，這種令人癡迷的還得從辣椒素說起。

圖2. 豐富多彩的辣椒

辣椒素發(fā)現(xiàn)

自從辣椒從野外被馴化到走上人們餐桌已有數(shù)千年，辣味影響和改變著人們飲食方式和文化，但是辣椒中的辣味物質(zhì)人們一直不清楚是什么。直到1816年，德國化學(xué)家Christian Friedrich Bucholz（1770–1818）采用溶劑萃取法從辣椒中分離出具有辣味的物質(zhì)，當(dāng)時(shí)獲得的辣味物質(zhì)純度較低，一年后Henri Braconnot發(fā)現(xiàn)這種從辣椒中分離的辣味化合物和堿能形成鹽狀結(jié)晶，于將命名其為“capsicin”（由辣椒屬名Capsicum演變而來）?？上У氖牵珻hristian Friedrich Bucholz兩年后便去世了。在首次分離得到辣椒素60年之后，1876年John Clough Thresh (1850-1932)從卡宴辣椒（圖3）中獲得了近乎純凈的辣椒素晶體，將其稱為“capsaicin（辣椒素）”，一直沿用至今。1898年，KarlMicko分離得到純凈的辣椒素并獲得晶體。1873年德國藥物學(xué)家Rudolf Buchheim (1820–1879) 以及1878年匈牙利醫(yī)生Endre H?gyes將部分純化過的辣椒素稱為“capsicol”，這種部分純化辣椒素當(dāng)與粘膜接觸時(shí),會(huì)引起灼燒感，也會(huì)刺激增加胃液分泌。

圖3. 卡宴辣椒和辣椒素

辣椒素從分離、提純到得到純品晶體以及應(yīng)用與臨床研究的百年之間，沒有人對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行過研究，一直到1919年E.K. Nelson對(duì)辣椒素的結(jié)構(gòu)才進(jìn)行了部分解釋。1930年之前，辣椒素一直是以天然產(chǎn)物作為唯一來源，是E. Spath和S.F. Darling首次實(shí)現(xiàn)了辣椒素的人工合成。1961年日本岐阜大學(xué)Sadayoshi Kosuge 和愛知縣西三河事務(wù)所Yukio Inagaki從辣椒中分離出類似的多種其他物質(zhì)，它們同樣具有“辣味”的生物學(xué)活性，于將這些物質(zhì)統(tǒng)稱為?“capsaicinoids”（辣椒元或者辣椒總堿）。截止目前，在辣椒中發(fā)現(xiàn)的辣椒素類似物多達(dá)23種。側(cè)鏈脂肪烴長度、是否存在雙鍵和分支點(diǎn)和辣度不同是造成辣椒素類物質(zhì)差異的主要原因。但是辣椒總堿中以辣椒素含量最多，其次是二氫辣椒素，降二氫辣椒素等其他類似物相對(duì)含量較少（圖4）。

圖4. 辣椒中主要的5種辣椒素類物質(zhì)

發(fā)現(xiàn)了辣椒素以后，人們開始考慮辣度是什么，到底如何衡量？最開始由于條件限制，為了衡量辣度，1912年美國化學(xué)家史高維爾（Scoville）設(shè)計(jì)一套稱為“史高維爾感官測(cè)試”（ScovilleOrganoleptic Test）的實(shí)驗(yàn)方法來度量辣度。該方法為將被測(cè)物一單位的辣椒素溶解到糖水里，然后交給數(shù)個(gè)人品嘗，之后逐漸增加糖水量，直到無法嘗出辣味為止，此時(shí)糖水量的總和即為被測(cè)物的史高維爾辣度單位（Scoville Heat Units, SHU）。我們食用的甜椒因?yàn)闆]有辣椒素，所以辣度為0 SHU，常見的虎皮尖椒所使用的辣椒辣度大約5000-10000 SHU，而小米椒或朝天椒辣度則是5萬-10萬 SHU。然而，這個(gè)試驗(yàn)方法受人的主觀影響甚大（比如不太吃辣的廣東人和嗜辣的湖南人測(cè)試的結(jié)果差異很大），所以后人開發(fā)出稱為“高效液相色譜”（HPLC）的方法來精確量測(cè)辣椒素含量。不過由于史高維爾指標(biāo)的流用已久，所以現(xiàn)今仍常將高效液相色譜的量測(cè)值轉(zhuǎn)換為SHU來表示辣椒素含量，辣椒素含量和SHU呈線性關(guān)系?？傊?，其實(shí)就是辣椒素含量越高，SHU值就會(huì)越高，也就是越辣。

圖5. 史高維爾度量（來自網(wǎng)絡(luò)：www.chilli-hills.com）

辣椒素生物學(xué)功能和用途

辣椒起源于南美洲安第斯山脈一帶，這里生物多樣性豐富，病原菌和哺乳動(dòng)物多，為了在這種自然環(huán)境中生長并成功地繁殖下一代，辣椒也是非常的努力，它們進(jìn)化出辣椒素這種次生代謝產(chǎn)物，賦予果實(shí)辣味（對(duì)哺乳動(dòng)物而言的），可以讓其更好的抵御哺乳動(dòng)物和病原菌危害果實(shí)和種子（圖6）。

圖6. 辣椒素抵御病原菌和昆蟲危害（Tewksbury，2008）

辣椒素對(duì)于我們?nèi)祟惗?，在醫(yī)藥、化工、食品和軍事等領(lǐng)域具被廣泛應(yīng)用（圖7），具有很大應(yīng)用前景。我國是最早將辣椒作為藥物使用的國家之一，中醫(yī)用辣椒治療胃寒、風(fēng)濕等癥?，F(xiàn)代研究表明，辣椒堿具有消炎、鎮(zhèn)痛、麻醉和戒毒等方面的功效，其鎮(zhèn)痛作用與嗎啡等同，但比嗎啡更持久，而且不會(huì)存在上癮的不利影響。辣椒堿還可抑制惡性腫瘤的發(fā)生，對(duì)治療皮膚病、減肥等也有特殊功效。在海洋中的一些附著生物如藤壺、海藻、貝類等大量附著在船底，由于其數(shù)量龐大、生長速度極快，可使艦船航速減慢、燃料增加、加速金屬腐蝕、堵塞管道及網(wǎng)箱網(wǎng)眼、使水下設(shè)施失衡等，給人類開發(fā)海洋造成巨大危害。辣椒素作為驅(qū)避劑，具有強(qiáng)烈的驅(qū)趕作用，并且不殺死海洋生物，具有明顯的生態(tài)效益。辣椒作為食品調(diào)味料，需要對(duì)辣椒進(jìn)行一些淺加工制成辣椒醬等。但食用這些制品時(shí)，其辣椒堿都要經(jīng)過一個(gè)浸出過程，辣椒堿的生物利用率并不高。從辣椒中提取分離出辣椒堿，作為食品加工過程中的添加劑，有利于辣度的控制和辣椒堿的充分吸收利用。辣椒素在軍事防暴和防狼噴霧上具有廣闊應(yīng)用，利用辣椒素的強(qiáng)烈辛辣味，可以有效制止暴亂，同時(shí)不造成傷害。

圖7. 一些辣椒素制品（辣椒素鎮(zhèn)痛膏和防狼噴霧）

辣椒素生物合成和調(diào)控

從辣椒中分離出辣椒素，并明確辣椒素的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)活性后，開始步入生物化學(xué)時(shí)代，人們探索辣椒素的生物合成過程。20世紀(jì)60年代末，兩個(gè)獨(dú)立的課題組Bennett和 Kirby、Leete和Louden 對(duì)辣椒素的生物合成途徑進(jìn)行研究，通過同位素示蹤發(fā)現(xiàn)：辣椒素香草胺單元的合成前體源自苯丙氨酸，支鏈脂肪酸源于纈氨酸，前體質(zhì)香草基胺和支鏈脂肪酸在辣椒素合成酶（CS）作用下最終生成辣椒素。1979年KazuoIwai采用同位素示蹤方法發(fā)現(xiàn)辣椒素在辣椒果實(shí)胎座中合成?；谕凰厥聚櫟拇x產(chǎn)物，日本科學(xué)家們推斷一些參與辣椒素合成的酶（PAL，苯丙氨酸裂解酶 ;C4H，肉桂酸水解酶和CoMT，肉桂酸水解酶）。

圖8. 研究用的哈瓦那辣椒

進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)代，人們開始發(fā)掘和鑒定編碼辣椒素合成途徑關(guān)鍵酶基因。但是，辣椒素是辣椒特有的次生代謝產(chǎn)物，可參考的資料并不多，辣椒素合成相關(guān)基因克隆非?？嚯y，進(jìn)展也很緩慢。比較重要的進(jìn)展是Curry等人（1999）想從辣椒中克隆編碼辣椒素合成途徑PAL、C4H和CoMT的基因，他們用哈瓦那辣椒的胎座文庫采用采用同源序列方法克隆了PAL、C4H和CoMT三個(gè)基因（圖8）。隨后，他們通過比較高辣味的哈瓦那辣椒和無辣味材料胎座cDNA轉(zhuǎn)錄本差異，克隆到辣椒素合成途徑另外兩個(gè)關(guān)鍵基因Kas和AMT。Aluru（2003）則將支鏈脂肪酸途徑另外兩個(gè)基因Acl和FatA從哈瓦那辣椒中克隆。相比而言，編碼辣椒素合成途徑最后一個(gè)酶的基因AT3（CS或者Pun1）克隆相對(duì)較晚。Stewart等（2005）采用遺傳學(xué)手段克隆了AT3基因，該基因功能缺失會(huì)導(dǎo)致喪失辣味。進(jìn)入組學(xué)時(shí)代，更多的辣椒素合成途徑相關(guān)基因被推測(cè)。筆者所在課題組2013年對(duì)小米辣胎座進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，鑒定到了3個(gè)辣椒素合成新基因。Kim等（2014）對(duì)CM334進(jìn)行基因組測(cè)序，鑒定出了54個(gè)辣椒素合成途徑基因，比較基因組分析發(fā)現(xiàn)辣椒素合成途徑的同源基因在番茄中也存在，我們中國Qin等（2014）對(duì)Zunla-1進(jìn)行基因組測(cè)序，也預(yù)測(cè)到52個(gè)辣椒素合成基因。通過對(duì)辣椒和番茄的果實(shí)比較轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，辣椒素合成途徑相關(guān)基因在果實(shí)中表達(dá)，而在番茄果實(shí)中不表達(dá)或者微弱表達(dá)，認(rèn)為辣椒素合成相關(guān)基因在辣椒中獲得表達(dá)是產(chǎn)生辣味的原因（圖9）。

圖9. 辣椒素生物合成途徑及基因（Kim等., 2014）

愛吃辣椒的人們，是不是也時(shí)常有這么一個(gè)疑惑: 為什么有些辣椒辣的讓人懷疑人生，有些則一點(diǎn)辣味都沒有？影響它們辣度不同的因素是什么？辣椒在南美洲起源，在起源地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)有35個(gè)種，其中有5個(gè)被栽培和馴化它們分別是：一年生辣椒Capsicum annuum，漿果辣椒Capsicum baccatum，中國辣椒Capsicum chinense，灌木辣椒Capsicum frutescens，茸毛辣椒Capsicum pubscens。和其他幾個(gè)栽培馴化種相比，Capsicum chinense特點(diǎn)是極辣（辣椒素含量極高），所有“吉尼斯世界記錄”報(bào)道的最辣的辣椒“印度魔鬼椒”、“特立尼達(dá)莫魯加蝎子椒”、“卡萊羅納死神椒”和“Pepper X”都來自于該種，我國最辣的“涮涮辣”也屬于該種。但是Capsicum chinense極辣的原因一直不清楚。

圖10. 辣椒5個(gè)栽培馴化種和極辣辣椒

筆者在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院攻讀碩士研究生期間，因?yàn)闊o辣不歡的原因而選擇了辣椒素做研究。為了揭示Capsicum chinenes辣椒為什么會(huì)這么辣，歷經(jīng)6年開展了一系列實(shí)驗(yàn),從辣椒中克隆到一個(gè)辣椒素生物合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子MYB31。MYB31可以通過直接調(diào)控辣椒素合成相關(guān)基因參與辣椒素的生物合成。不同基因型材料MYB31啟動(dòng)子序列變異導(dǎo)致辣椒素含量存在差異。MYB31功能的明確為辣椒素特異在辣椒屬中合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新認(rèn)識(shí)，其啟動(dòng)子變異為極辣基因型辣椒（C. chinense）遺傳進(jìn)化提供新見解。MYB31啟動(dòng)子的變異可用于開發(fā)相應(yīng)的分子標(biāo)記用于培育辣度符合需求的辣椒品種。

圖11. 辣椒這么辣的原因

為什么有些辣椒卻不辣呢？這是由于不能合成辣椒素。目前鑒定到了大量控制辣味有無的位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)主要由于辣椒素合成的結(jié)構(gòu)基因AT3（Pun1）、CaKR1或者調(diào)控基因MYB31（Pun3）突變所致，導(dǎo)致辣椒素類物質(zhì)不能合成，或者合成途徑的AMT突變導(dǎo)致形成辣味很低辣椒素酯（辣椒素類物質(zhì)辣度的1/1000）。

最近的一些研究發(fā)現(xiàn)，辣味不應(yīng)該是辣椒的專屬。辣椒很近緣的“親戚”，番茄、茄子和土豆都有辣椒素合成基因，但是為什么它們不辣呢？比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)現(xiàn)辣椒素合成相關(guān)基因只特異在辣椒中獲得轉(zhuǎn)錄是辣椒產(chǎn)生辣味的原因。也許未來可以通過將調(diào)控基因和合成途徑基因共同整合到茄科植物，那么有可能創(chuàng)制“辣味”番茄、茄子和土豆。

辣椒素受體的發(fā)現(xiàn)

我們常說的“辣味”其實(shí)真正意義上不能算一種味覺，醫(yī)學(xué)上認(rèn)為的味覺是舌頭味覺細(xì)胞能感知的味道包括：酸、甜、苦、咸、鮮，5種。辣椒的辣味更確切的講是一種熱覺甚至痛覺（很辣），這也是為什么我們身體任何部位接觸辣椒后都能感覺到的辣原因。雖然大家已經(jīng)清楚辣椒素可以激活引起疼痛感的神經(jīng)細(xì)胞，但這種化學(xué)物質(zhì)如何真正引發(fā)痛覺當(dāng)時(shí)仍然是一個(gè)未解之謎。90 年代后期，美國舊金山加利福尼亞大學(xué)擅長受體克隆的 David Julius 通過分析接觸辣椒引起的灼燒感，看到了該領(lǐng)域有重大進(jìn)步的可能性。由于缺乏辣椒素受體的信息，辣椒素受體的克隆困難重重。Julius 和他的同事采用能夠感知疼痛的背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞構(gòu)建了一個(gè)包含數(shù)百萬個(gè)片段的cDNA文庫，這些片段是感覺神經(jīng)元中的表達(dá)基因，可以對(duì)疼痛、熱和觸摸做出反應(yīng)。他們將構(gòu)建的神經(jīng)元cDNA文庫劃分成不同的組，每個(gè)組大約包含16000克隆，瞬時(shí)轉(zhuǎn)化到攜帶特殊熒光蛋白的HEK293細(xì)胞，如果某組含有辣椒素受體的文庫被轉(zhuǎn)入細(xì)胞，采用辣椒素處理這些細(xì)胞可以誘導(dǎo)產(chǎn)生熒光。經(jīng)過大量艱苦的篩選，他們確定發(fā)現(xiàn)了一個(gè)辣椒素感應(yīng)基因，該基因編碼了一種新的離子通道蛋白，這種新發(fā)現(xiàn)的辣椒素受體后來被命名為 TRPV1，并意外發(fā)現(xiàn)該受體可以被43℃以上的物理高溫激活（圖12）。這一偉大的發(fā)現(xiàn)，首次呈現(xiàn)了離子通道受體在物理化學(xué)刺激間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，即辣椒素等天然化學(xué)物質(zhì)刺激與溫度等物理刺激，可通過細(xì)胞膜上TRPV1通道統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從分子層面為我們展現(xiàn)了軀體感受認(rèn)知的最基礎(chǔ)的來源，更新了我們對(duì)軀體感受的認(rèn)知。TRPV1的發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)重大突破，為揭開其他溫度感應(yīng)受體開辟了道路。David Julius 和 Ardem Patapoutian 各自獨(dú)立地使用化學(xué)物質(zhì)薄荷醇來識(shí)別 TRPM8 受體（一種被證明會(huì)被寒冷激活的受體），隨后與 TRPV1 和 TRPM8 相關(guān)的其他離子通道被發(fā)現(xiàn)。

圖12. David Julius 使用辣椒素來鑒定 TRPV1，這是一種由熱痛激活的離子通道，使得我們了解溫度變化如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘導(dǎo)電信號(hào)。

辣椒素對(duì)包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物體的辣椒素受體都有效，通過神經(jīng)傳導(dǎo)后使其產(chǎn)生疼痛感（灼燒感）。正是上述原因，進(jìn)化出的辣椒素可以威懾嚙齒類動(dòng)物咀嚼果實(shí)的種子。鳥類體內(nèi)缺乏對(duì)辣椒素敏感的受體，所以感覺不到辣味。沒有牙齒的鳥類吃了辣椒果實(shí)之后，由于無法被消化辣椒種子隨鳥糞排出，幫助辣椒種子傳播。但是似乎我們?nèi)祟悈s對(duì)辣情有獨(dú)鐘，尤其是湘川菜的流行將我們帶入了一個(gè)無辣不歡盛宴。人們吃了辣椒產(chǎn)生灼燒感之后，大腦在接受到這種感覺后，被誤導(dǎo)錯(cuò)誤地認(rèn)為“受傷了”。為了安慰“受傷的”身體，神經(jīng)元會(huì)釋放出一種叫“內(nèi)啡肽”的止疼激素，而這種釋放，很大程度上會(huì)給人類帶來愉悅與快感，讓人上癮。痛并快樂著，就是人類的生存哲學(xué)，也是辣椒的極致美學(xué)。

圖13. 鳥類味取食辣椒果實(shí)

作者簡介

朱張生，男，目前在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院蔬菜系工作。于2012年獲得山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)本科學(xué)位，2015年于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得蔬菜碩士學(xué)位（導(dǎo)師：雷建軍教授），2019年獲得華南農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師：雷建軍教授）。博士研究生期間，到法國圖盧茲大學(xué)LRSV研究所Jacqueline Grima-Pettenati課題組進(jìn)行為期一年的聯(lián)合培養(yǎng)。2019年-2021年到南方科技大學(xué)鄧興旺院士課題組從事博士后研究。2021年7月以“高層次人才”引進(jìn)到華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院蔬菜系工作。

主要從事辣椒重要性狀形成的分子遺傳機(jī)理，重點(diǎn)采用遺傳學(xué)、生物信息學(xué)、組學(xué)（基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等）、生理生化和分子生物學(xué)等技術(shù)發(fā)掘和表征控制辣椒重要農(nóng)藝、品質(zhì)和抗性的關(guān)鍵基因并闡明其作用的分子機(jī)制。以第一作者或者通訊作者在New Phytologist，Horticulture Research等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文10余篇，克隆了辣椒中首個(gè)辣椒素生物合成的關(guān)鍵調(diào)控基因MYB31，代表性成果被學(xué)術(shù)權(quán)威組織F1000Prime推薦為必讀文章。