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中药资源中心有关乌头二萜生物碱生物合成途径研究取得重要进展
时间:2021-11-05    来源:药学学报    作者毛柳英    点击量:1882    返回
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近日,中国中医科学院中药资源中心/部局共建道地药材国家重点实验室黄璐琦院士团队在《药学学报》英文刊(Acta Pharmaceutica Sinica B)发表了题为“Functional identification of the terpene synthase family involved in diterpenoid alkaloids biosynthesis in Aconitum carmichaelii”的研究论文,该研究首次鉴定了乌头Aconitum carmichaelii的萜类合酶基因家族,确定了14个萜类合酶基因的功能,从而开启了乌头二萜生物碱生物合成途径解析之旅。黄璐琦院士、崔光红研究员为共同通讯作者,毛柳英博士为第一作者。

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二萜生物碱(diterpenoid alkaloids)是一类五环二萜或四环二萜中具有甲胺、乙胺或β-氨基乙醇的杂环化合物,其种类繁多,结构复杂,在镇痛、抗炎、抗心律失常等方面具有显著的疗效,是有毒中药乌头、附子、黄草乌等的主要活性成分。目前已报道1000余种该类化合物,主要分为C18-,C19-和C20-型二萜生物碱。通常认为C20 napelline和atisine是合成C18、C19-二萜生物碱的前体。同时,越来越多的证据表明除了二萜合酶,其他萜类合酶基因也会参与二萜类化合物的生物合成,因此,急需对所有可能参与DAs生物合成的萜类合酶基因进行大规模鉴定,确定其关键前体,从而为复杂的C19-DAs的合成途径解析提供基础。

该研究应用Pacbio全长转录组测序和13个组织的RNA测序相结合的方法获得乌头的全长转录组(N50为2446bp),通过基因注释、同源比对及PCR克隆等方法鉴定了19个萜类合酶基因和5个可变剪切体。通过原核表达和二萜代谢工程系统鉴定了12个二萜合酶和2个倍半萜合酶的基因功能。7个TPS-c家族基因与二萜共同底物(E,E,E)-geranylgeranyldiphosphate反应均生成ent-copalyl diphosphate (ent-CPP),5个AcKSLs分别与ent-CPP反应生成ent-kaurene、ent-atiserene和ent-13-epi-sandaracopimaradie,其中AcKSL3-2为首次鉴定的能催化产生ent-13-epi-sandaracopimaradie的二萜合酶基因,同时该化合物在乌头属植物中未见报道。结合酶功能、13个组织中萜类合酶基因的表达谱和DAs含量分析排除了其他萜类合酶参与DAs生物合成的可能,同时确定ent-CPP是DAs生物合成的唯一前体,AcKSL1、AcKSL2s和AcKSL3-1分别负责C20-atisine和napelline型DAs的生物合成,atisine有可能是形成C19-二萜生物碱的重要前体。本研究得到的乌头高质量全长转录组及萜类合酶基因家族的功能解析为进一步研究乌头碱等C19-DAs的生物合成途径打下了坚实的基础。