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  • 王勇研究组在冬凌草基因组及冬凌草甲素的生物合成研究中取得突破

    文章来源:分子植物科学卓越创新中心  |  发布时间:2022-12-19  |  【打印】 【关闭

      

      2022年12月13日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇团队在Molecular Plant杂志在线发表了题为"A chromosome-level genome of Isodon rubescens reveals that tandem-duplicated CYP706V oxidase genes control oridonin biosynthesis in shoot apex"的研究论文。该研究首次报道了冬凌草的高质量基因组,揭示了冬凌草的药效成分冬凌草甲素的生物合成机制。

      冬凌草是唇形科香茶菜属植物碎米桠Isodon rubescens (Hemsl.)Hara的干燥地上部分。1971年,全国中药资源普查时发现,河南林州一带食道癌高发,当地百姓用一种叫“冬凌草”的草药泡水喝,可以治疗食道癌以及咽喉炎等呼吸道炎症。1975年“冬凌草协作组”联系到中科院昆明植物研究所孙汉董院士最终从冬凌草中提取出冬凌草甲素(oridonin),揭开了冬凌草抗癌、消炎的秘密。冬凌草甲素属于对映-贝壳杉烷型四环二萜,是冬凌草的主要活性成分之一,临床上多用于抗菌、抗炎、抗肿瘤,其独特的广谱抗肿瘤作用,对鼻咽癌、食管癌、肺癌、肝癌、乳腺癌、直肠癌、白血病等具有良好的效果。近年来的研究表明,冬凌草甲素可以抑制NLRP3炎症小体,对2型糖尿病、痛风等疾病具备较好的预防或治疗效果;冬凌草甲素还能促进肿瘤细胞凋亡,对于染色体易位的急性髓系白血病、DNMT3A突变白血病具有显著疗效;冬凌草甲素对新冠病毒毒株也具有很强的抑制作用,可以与3CLpro的第145位半胱氨酸(Cys145)发生共价结合,阻断病毒的复制过程。

      冬凌草甲素的生物合成涉及一系列贝壳杉烷骨架的氧化修饰,这一过程是自然界二萜化学多样性形成的重要基础,也赋予了该类化合物较强的药理活性。1970年代,日本科学家曾推测贝壳杉烷母核15位和7位氧化是冬凌草甲素氧化修饰的起点,但是数十年来,我们对于自然界贝壳杉烷骨架类化合物的氧化修饰过程知之甚少。本研究首先通过原位质谱成像技术结合冬凌草甲素的在不同组织中的浓度分布分析,发现冬凌草甲素的合成发生于茎顶端(顶芽和侧芽)中(图1A)。通过基因组测序,首次组装了碎米桠染色体级别的参考基因组(图1B),结合转录分析,发现碎米桠的2号染色体上存在一组串联重复的P450氧化酶基因,主要包括CYP706家族氧化酶(图2A),其中IrCYP706V2和IrCYP706V7在顶端分生组织和叶原基中高度表达。根据功能验证,IrCYP706V2和IrCYP706V7分别修饰对映-贝壳杉烯母核的7位和15位(图2B)。进一步通过比较基因组分析,发现CYP706的串联重复位于一个核心双子叶植物保守的基因组片段中,而CYP706V亚家族成员在碎米桠中发生了特异性扩张(图3A)。基于近缘植物基因组的微共线性分析,CYP706V不存在于其他唇形科物种中,该现象为香茶菜属植物特异性产生对映-贝壳杉烷型二萜提供了解释。系统进化分析表明(图3B),IrCYP706V进化为三个分支,β分支负责修饰贝壳杉烯的7位,γ分支氧化15位,而α分支的成员IrCYP706V6能够特异性羟基化贝壳杉烯的14位。另一方面本研究也从基因组信息中获得了多个之前未曾在香茶菜属发现的二萜环化酶,它们分别能够合成对映-海松烷型及松香烷型二萜骨架。

      本研究是冬凌草甲素合成途经解析的一个重要突破,深化了我们对于对映-贝壳杉烷二萜氧化修饰的合成途径及其遗传基础的理解,为进一步利用合成生物学开发和创新对映-贝壳杉烷型四环二萜类化合物奠定了基础。

      中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究员为该论文的通讯作者,孙雨伟副研究员、邵洁博士、刘海利副研究员为本论文的并列第一作者。该研究得到国家重点研发计划、上海市优秀学术带头人计划、国家自然科学基金、中国科学院先导及植物分子遗传国家重点实验室的资助。

      论文链接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(22)00442-7

    图1. (A)碎米桠植物及冬凌草甲素在茎顶端的分布
    图1. (B)碎米桠的基因组

    图2. (A)2号染色体的CYP706氧化酶基因串联重复
    图2. (B)IrCYP706V2和IrCYP706V7的功能

    图3. (A)CYP706串联重复基因簇在拟南芥、番茄、芝麻、黄芩、碎米桠、一串红和柚木中的共线性关系
    图3. (B)CYP706氧化酶的系统发育树

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