Science:里程碑式进展!化学家提出复杂天然产物柠檬苦素的可能生物合成途径

2023-02-10
这项研究中的数据表明,柠檬苦素生物合成中的酶可能作为一个代谢网络共同发挥作用,但还需要在体外用纯化的底物对每个单独的酶进行进一步研究,以量化底物的偏好。
柠檬苦素的生物合成途径被认为是植物界最不为人知的途径之一。近日,一项发表在 Science 上的研究揭示了它的可能生物合成途径。相关文章题为 “Complex scaffold remodeling in plant triterpene biosynthesis” 。
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(来源:Science)
柠檬苦素类化合物(limonoids)是一类高度氧化的四环三萜类次生代谢产物,主要存在于芸香科(Rutaceae)、楝科(Meliaceae)植物中。
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▲图丨芸香科和楝科柠檬苦素类化合物的结构及其生物合成途径(来源:Science)
这类化合物具有广泛的生物活性和结构的多样性,具有标志性的呋喃,包括 2800 多个已知结构。它是造成柑橘类果汁 "延迟苦味 "的部分原因,芸香科类柠檬苦素如 nomilin、obacunone 和 limonin 在柑橘类中大量积累,给全球柑橘类果汁行业带来严重的经济损失;也是构成印楝油(一种广泛使用的生物杀虫剂,例如印楝素)的活性成分的核心分子。
据报道,大约有 90 种柠檬苦素类化合物具有抗虫活性,还有几种被发现靶向哺乳动物受体和通路。
在哺乳动物系统中,一些类柠檬苦素已显示出对 HIV-1 复制的抑制作用和抗炎活性。一些具有药用价值的柠檬苦素类化合物也与特定的作用机制有关。Gedunin 和 nimbolide 分别通过抑制 Hsp90 和阻断 RNF114,发挥了强大的抗癌活性。
尽管柠檬苦素类化合物具有商业价值,但其完整的生物合成路线尚未被揭示。虽研究已有半个世纪之久,但迄今为止,仅在 2019 年 8 月发表的一项研究中阐明了从初级代谢物角鲨烯转化为 30C protolimonoid melianol 的前三个酶解步骤。
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(来源:PNAS)
在最新这项研究中,由 John Innes 中心的 Anne Osbourn 和斯坦福大学的 Elizabeth Sattely 共同领导的研究小组,利用基因组和转录组挖掘发现了 22 种酶,包括一对新功能化的甾醇异构酶,这些酶在 limonoids azadirone 和 kihadalactone A 的完整生物合成中催化了 12 个不同的反应。研究人员经过设计让编码这些酶的基因在植物 Nicotiana benthamiana 中表达,实现异源生物合成。
这一研究结果可能会促进具有高价值的天然和非天然柠檬苦素类化合物的生产,如植物源性杀虫剂。
加州大学洛杉矶分校的生物合成专家 Yi Tang 评价道,通过结合转录组学、合成生物学和天然产物化学,Osbourn 和 Sattely 的团队 "揭开了在这项工作之前基本上是一个黑盒子的神秘面纱,并且用新识别的酶绘制了一个漫长的生物合成序列,这是生物合成的一个里程碑。”
共挖掘 22 种酶,催化 12 个不同反应
概括来说,在这项工作中,研究人员采用了系统转录组和基因组挖掘以及系统发育和同源分析,并结合本氏烟草作为一种异源表达平台,从柑橘(citrus)和桃花心木(mahogany)中鉴定出可用于重建柠檬苦素生物合成的候选基因。
Sattely 表示,这就像对全合成进行逆向工程。他们了解植物的原材料、最终产品以及用来进行化学反应的酶,然后将它们结合起来,异源重建路径。
她解释说:"我们在论文中描述的只是一组能够制造这种分子的酶,但它可能不是柑橘或桃花心木所使用的确切的生物合成途径。"
已知从初级代谢物角鲨烯转化为 30C protolimonoid melianol 的前三个酶解步骤已被破解,为确定进一步“裁剪” melianol 的酶,研究人员在芸香科和楝科扩大了搜索范围。
对于芸香科植物酶的鉴定,借助了由柑橘协同表达网络推理(NICCE)汇编的公开可用的微阵列数据。对于楝科植物的酶鉴定,产生了额外的 RNA 测序(RNA-seq)数据和一个参考质量的基因组装配和注释。
在公开的柑橘类微阵列数据中,选择数据集进行深入分析,因为 CsOSC1 在水果中的表达水平最高,并且被认为是 limonin 生物合成和积累的位点。
首先在柑橘类水果数据集上仅使用 CsOSC1 作为诱饵基因进行基因共表达分析。这显示了有希望的候选基因表现出与 CsOSC1 高度相关的表达。
随着鉴定出更多的类柠檬生物合成基因,研究人员也将这些基因作为诱饵基因,以增强共表达分析的严格性,并进一步细化候选基因列表。
通过农杆菌介导的在 N. benthamiana 中的瞬时表达,使用先前报道的 melianol 生物合成酶 CsOSC1、CsCYP71CD1 和 CsCYP71BQ4 或 AiOSC1、MaCYP71CD2 和 MaCYP71BQ4,对来自柑橘和苦楝(Melia)的候选基因列表中的排名靠前的基因进行功能测试,并最终确定了三个活性候选基因对。
对这些基因组进行系统测试,得到了含呋喃类分子 azadirone 和 kihadalactone A 的积累,也就是两种已知的柠檬苦素类化合物的生物合成得以重组。
为三萜类化合物的生物合成途径重组提供模板
过去半个世纪,人们对植物三萜类化合物产生了浓厚的兴趣,但却很少有完整的生物合成途径被揭示,一切都缘于这类化合物的骨架修饰通常较为复杂。
三萜类化合物的基本母核由 30 个碳原子组成,通过裁剪酶的作用,可以变换形状以及具备不同的生物学功能。其生物合成路径的重组面临诸多挑战,包括缺乏对关键中间体结构的了解、骨架修饰步骤的顺序、路径前体的不稳定性,以及生成高级中间体涉及的超过 10 个酶促转化步骤的酶候选基因的确定。
因此,尽管这些复杂的植物三萜类化合物很有价值,但通常只能通过多步骤的化学合成途径或从植物中分离生产。
许多药物只能以含有多种化学成分的未纯化提取物的形式获得,例如,印楝素是最有效的柠檬苦素类化合物之一,只能作为印楝油的成分在商业上获得。这种生产途径的缺乏限制了这种多样化化合物的临床候选药物的效用和生物学研究。
柠檬苦素类化合物是具有复杂骨架修饰的三萜类化合物家族中的一个。
这项研究中的数据表明,柠檬苦素生物合成中的酶可能作为一个代谢网络共同发挥作用,但还需要在体外用纯化的底物对每个单独的酶进行进一步研究,以量化底物的偏好。
但其证明了具有复杂骨架修饰的三萜类化合物的生物合成途径可以在植物宿主中重建,并且研究中描述的基因集能够快速生产和分离天然存在的柠檬苦素类化合物。
这不仅代表着获得有价值的柠檬苦素成为可能,也为发现和重建植物三萜类化合物生物合成途径提供了模板。
“预计柠檬苦素类化合物的生物生产将作为一种有吸引力的方法来产生供评估的临床候选药物,并且柠檬苦素途径的稳定工程可能是一个可持续的作物保护的可行策略。”
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