我校首席教授陳士林院士團(tuán)隊(duì)與東北林業(yè)大學(xué)徐志超團(tuán)隊(duì)等合作，在關(guān)黃柏小檗堿生物合成機(jī)制解析方面取得突破。相關(guān)成果以“Convergent evolution of berberine biosynthesis（小檗堿生物合成的趨同進(jìn)化）”為題，于2024年11月29日發(fā)表在Science Advances（中科院一區(qū)，TOP期刊）。我校陳士林院士為該論文的共同通訊作者。
芐基異喹啉生物堿（BIAs）藥理活性突出，化合物立體構(gòu)型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣、在植物中含量低、化學(xué)合成難度大等問(wèn)題限制臨床使用及新藥開(kāi)發(fā)，其代謝工程、綠色生物制造及分子育種等研究策略備受關(guān)注。小檗堿是一種代表性的BIAs化合物，具有廣譜抗菌、抗炎、降脂等功效，其全球年產(chǎn)值高達(dá)40億美元。傳統(tǒng)的小檗堿生產(chǎn)主要依賴于黃連、黃柏等藥材的提取。研究團(tuán)隊(duì)基于本草基因組學(xué)研究體系，在瀕危藥用植物黃檗（樹(shù)皮入藥，關(guān)黃柏）中發(fā)現(xiàn)了一條全新的、不同于傳統(tǒng)認(rèn)知的小檗堿生物合成途徑，并深入解析了其背后的分子機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)時(shí)空代謝組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多組學(xué)手段，結(jié)合酶功能驗(yàn)證，系統(tǒng)鑒定并驗(yàn)證了黃檗中小檗堿合成途徑中的關(guān)鍵酶；通過(guò)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、位點(diǎn)突變、進(jìn)化分析等手段，揭示了這些酶的催化機(jī)制與功能分化。
團(tuán)隊(duì)解析了黃檗中小檗堿生物合成的6個(gè)酶學(xué)步驟，首次發(fā)現(xiàn)O-甲基轉(zhuǎn)移酶（OMT）具有催化芐基異喹啉類(lèi)生物堿（BIAs）中間體的N-甲基化活性，創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素氧化酶CYP71BG29行使小檗堿橋酶功能。研究進(jìn)一步解析了PaNOMT9晶體結(jié)構(gòu)，與已報(bào)道的Tf6OMT蛋白結(jié)構(gòu)相比，PaNOMT9與底物的結(jié)合構(gòu)象差異使底物的NH基團(tuán)相對(duì)更靠近SAM供體，導(dǎo)致N-甲基化活性；通過(guò)基因溯源，發(fā)現(xiàn)PaCYP71BG29起源于植物褪黑素合成途徑基因，由基因復(fù)制及位點(diǎn)正選擇等驅(qū)動(dòng)了基因的新功能化。此外，已知黃連等植物合成小檗堿的編碼基因均散落在基因組的不同位置，而黃檗中小檗堿合成相關(guān)酶CYP71BG、OMT等成員形成基因簇，該基因簇經(jīng)歷兩次物種特異的全基因組復(fù)制事件使得關(guān)鍵基因發(fā)生復(fù)制及新功能化。
該研究揭示了由非同源酶介導(dǎo)的小檗堿生物合成的趨同進(jìn)化機(jī)制，為“基因組演化驅(qū)動(dòng)植物代謝多樣性形成”理論提供新的范例，為小檗堿的生物合成工程提供了全新的理論基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)小檗堿的綠色可持續(xù)生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads3596
（供稿：中醫(yī)藥創(chuàng)新研究院/交叉學(xué)科研究院）