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追踪植物中心髓内酯的形成
【字体: 大 中 小 】 时间:2023年09月21日 来源:AAAS
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位于耶拿的马克斯·普朗克化学生态学研究所的科学家们正在研究一种以前基本上不为人知的生物合成途径,这种途径导致了植物中心髓内酯的形成。在发表在《自然植物》杂志上的一项研究中,他们提出了两种来自CYP87A家族的酶作为催化孕烯醇酮形成的关键酶,孕烯醇酮是植物类固醇生物合成的前体,在两个不同的植物家族中。这种酶的发现应该有助于开发用于廉价和可持续生产高质量医用类固醇化合物的平台。
植物产生一系列令人印象深刻的代谢物,包括许多医学上有价值的类固醇。从植物中提取的这类物质的著名例子是心桂花素。早在1785年,英国医生威廉·威瑟林(William Withering, 1741-1799)就出版了一本关于红毛地黄及其医学用途的书(《毛地黄及其一些医学用途:对水肿和其他疾病的实用评论》)。伯明翰1785)。他在实验中发现,服用这种植物的提取物可以增加病人的尿液流量,从而治疗体内的水分潴留。然而,他不知道毛地黄叶子中的有效成分对心脏有直接作用。自19世纪下半叶以来,cardenolides,一种从植物中提取的心脏糖苷,因其对心肌的作用而被用于治疗心力衰竭或心律失常。“除了对心脏收缩的影响外,近年来,硬核内酯在治疗各种癌症方面取得了巨大成功。然而,尽管这些类固醇分子在人类医学中取得了成功,但相应的植物生物合成途径在很大程度上仍然未知。因此,我们的目标是了解植物如何从预测的但简单的前体合成这些高度复杂的分子,”第一作者Maritta Kunert解释说。
除了毛地黄外,研究小组还研究了另一种植物,橡胶树Calotropis proca。虽然这两种植物属于不同的植物科,但它们都能产生大量的心桂子内酯。由于所研究的物种不是模式植物,它们的基因组已经测序,许多基因功能也已知,因此该项目最初对研究人员来说有点像一个“黑盒子”,因为他们没有现有的数据集或标准方法可以依靠。这项研究的起点是对毛地黄的一种相关物种的早期研究,该研究表明,孕烯醇酮分子的生物合成是通过孕烯醇酮分子进行的,孕烯醇酮有时被称为“所有类固醇激素的母亲”,因为人类体内所有主要的类固醇激素,如睾酮、孕酮和雌激素,都可以追溯到孕烯醇酮的前体。
“我们通过对两种植物物种的比较分析,确定了与石斛内酯生物合成有关的候选基因。这些植物的心髓核结构既有重叠的也有发散的。因此,比较植物基因组的信息,特别是在这两种植物中表达的与代谢物形成有关的基因,对确定参与孕烯醇酮形成的酶非常有帮助,”研究负责人Prashant Sonawane说,他是天然产物生物合成系“植物类固醇特殊代谢”项目小组的负责人。
此外,科学家们甚至不知道感兴趣的代谢物在植物的不同部位积聚在哪里。“石斛的组织特异性定位对于使用遗传数据集至关重要,从而可以选择13个候选基因。比较不同植物的这些数据集帮助我们减少了进一步表征的候选基因的数量,”Prashant Sonawane解释说。
最后,鉴定了细胞色素P450家族87A中的两种酶,它们能催化毛地黄和牛角豆中胆固醇和植物甾醇转化为孕烯醇酮。这是在这两种仅有的远亲植物中菊石内酯生物合成途径的第一步。重要的是,这是细胞色素P450亚家族首次报道的酶促功能。
科学家们通过修改拟南芥模型系统的植物以产生更多的CYP87A酶来验证他们的发现。转基因拟南芥积累了异常高水平的孕烯醇酮。进一步证明CYP87A酶参与孕烯醇酮形成的证据来自叶片中缺乏CYP87A酶的转基因毛地黄植物。在这些植物中,孕烯醇酮和桉皮内酯的形成大大减少。作者建立了第一个稳定的转化系统来修饰毛地黄植物,用于研究专门的代谢物。
研究小组还远远不满足于破译石斛内酯生物合成的第一个酶促步骤。“我们已经在研究不同植物物种形成硬核素的下游步骤。这种生物合成途径漫长而高度复杂。有了将最新的测序、生物信息学和代谢组学方法应用于多种植物物种的能力,我们希望能很快解决这个难题,”Prashant Sonawane说。
植物产生许多药物化合物。这些天然产品的提取仍然非常复杂,而且往往不是很可持续。由Sarah O'Connor领导的马克斯普朗克化学生态学研究所天然产物生物合成系旨在阐明具有医学意义的重要植物化学物质的生物合成途径。Sarah O'Connor说:“CYP87A等酶的发现可以帮助开发生物平台,通过利用其他植物进行生物合成,实现高价值植物化合物的可持续生产。”