1. 分子植物科學卓越創新中心揭示控制抗抑郁分子hyperforin生物合成的基因簇及其進化歷程

        文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2022-05-08  |  【打印】 【關閉

          

          貫葉連翹(Hypericum perforatum),又名圣約翰草(St John’s wort),在歐亞各民族都有作為傳統草藥使用的歷史,也是我國傳統的中藥材之一,最早被《本草綱目拾遺》收載。貫葉連翹在西方國家用于治療煩躁不安、情緒低落、憂慮、集中力差、精神緊張等已有較悠久的歷史,近些年被廣泛用于治療輕、中度抑郁癥。其抗抑郁藥效來自于提取物中的貫葉連翹素(hyperforin),但控制其生物合成途徑的基因卻尚未得到解析。

          2022 年 4 月 30 日,國際學術期刊 New Phytologist 在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心Evangelos Tatsis研究組題為“Convergent gene clusters underpin hyperforin biosynthesis in St John's wort”的研究論文。該研究基于基因組挖掘和生化實驗解析了編碼hyperforin生物合成前三步的兩個基因簇并剖析了這些基因簇何時以及通過何種方式組裝形成,探索了植物中次生代謝的進化歷程,并為全面解析具有抗抑郁活性的hyperforin生物合成途徑奠定基礎。

          研究人員首先對貫葉連翹的基因組以及轉錄組數據進行組裝,并借助于PlantiSMASH挖掘基因組中的生物合成基因簇,得到了兩個包含BCKDHA(α-酮酸脫氫酶復合物E1亞基)、CCL(?;D移酶)、PKS(聚酮合酶)和MT(甲基轉移酶)四種代謝基因的基因簇,其中BCKDHA、CCL和PKS的共同出現符合hyperforin代謝途徑的預測步驟。

          通過異源表達純化蛋白、酵母共表達系統以及煙草瞬時表達系統,研究人員解析了基因簇中基因編碼酶的活性。BCKDHA、CCL和PKS蛋白在酵母中的共表達可以生成hyperforin前體(PIBP)的分子骨架。此外,對CCL的酶動力學分析證明了兩個基因簇對hyperforin及其類似物生成具有不同的貢獻比例。值得注意的是,盡管MT不存在于推測的代謝通路中,體外表達的甲基轉移酶能夠甲基化PIBP,作者將該分子命名為guanyine,通過分析煙草表達系統提取物推測MT可能具有解毒作用。

          借助于比較基因組分析,研究人員在同屬金尾虎目且合成hyperforin類似物的鐵力木(Mesua ferrea)中發現了與貫葉連翹中具有共線性的基因簇,而在其他植物中未發現有包含全部四種基因類型的基因簇。結合物種發育樹與共線性分析,研究人員發現兩個基因簇具有完全不同的進化歷程:BGC1由包含BCKDHA與CCL的基因區域招募PKS與MT;BGC2則由CCL招募BGC1來源的PKS/MT基因對,且僅在貫葉連翹中發現。

          中科院分子植物科學卓越創新中心的博士生吳松、博士后Ana Morotti為該論文的共同第一作者,Evangelos Tatsis研究員為通訊作者。該研究團隊同時隸屬于中國科學院與英國約翰·英納斯中心合作共建的國際聯合單元植物和微生物科學聯合研究中心(CEPAMS)。該工作得到了代謝組學平臺、細胞結構分析技術平臺、國家基因研究中心、中科院西雙版納植物園陳江華研究員和中科院遺傳所王國棟研究員的支持與幫助。研究工作得到中科院先導專項、中科院國際合作伙伴項目、上海市科委、國家重點實驗室、中心引進人才項目、中科院中國博士后科學基金會國際交流項目等的資助。

          論文鏈接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18138

        物種進化發育關系與基因簇的組裝

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