科学视点

研究发现紫锥菊活性成分菊苣酸合成机制

紫锥菊   付饶摄

紫锥菊是一种原产于北美洲的药用植物,最初被北美大平原地区的印第安人用来治疗蛇咬伤、咳嗽和感冒等。在欧洲人踏上新大陆之前,紫锥菊已经有了四百多年的药用历史,后来引入欧洲并沿用至今。目前,紫锥菊已成为欧美地区使用最为广泛的药用植物之一。现代科学研究结果表明紫锥菊具有免疫调节作用,能够缩短感冒周期。2019年紫锥菊在美国主流市场销量达1.2亿美元,在2020上半年销量更是激增,全年销量有望突破2亿美元。

菊苣酸是紫锥菊的主要成分,含量最高达干重的4%。尽管近年来多项研究发现菊苣酸具多种生物活性,如抑制HIV整合酶、抗炎、抗氧化、抗病毒、抑制肥胖、抗肿瘤等,然而,其生物合成途径一直不清楚。

3月10日,四川大学生命科学学院研究员张阳团队在《自然—通讯》在线发表了研究论文,完整解析了紫锥菊中主要活性成分—菊苣酸的生物合成途径。

为了探究菊苣酸的生物合成途径,为后续合成生物学等研究奠定基础,该团队研究人员结合传统生物化学方法及现代植物分子生物学研究手段,首先成功建立了体外酶反应体系,通过酶的分离和纯化,结合蛋白质谱,筛选了候选结构基因。其次,通过分子克隆,异源表达,体外酶活验证,体内过表达及沉默验证等方式,对候选基因功能进行了确认,在此过程中对酶的相关性质进行了研究。最后,成功解析了紫锥菊中菊苣酸的生物合成途径,并在烟草中成功实现了异源构建。

菊苣酸的生物合成涉及了植物中已知的两大家族酰基转移酶BAHD和SCPL。在胞质中,两个BAHD家族成员EpHTT和EpHQT分别催化咖啡酰辅酶A和酒石酸及奎宁酸反应生成咖啡酰酒石酸及绿原酸,两个产物进入液泡中后,被SCPL家族成员EpCAS催化,生成菊苣酸和奎宁酸。已经鉴定功能的SCPL类酰基转移酶主要采用1-O-β-葡萄糖苷作为酰基供体,而EpCAS酰基供体变为了绿原酸,这一发现改变了对于SCPL家族酰基转移酶的认知。与此同时,通过与部分已知能够合成菊苣酸的物种比较,研究人员发现这个新鉴定的菊苣酸合成途径是在紫锥菊中特有的,这表明菊苣酸合成途径在不同物种中可能产生了趋同进化。

该研究是药用植物研究领域的重要进展,为药用成分生物合成途径解析提供了新的研究思路。三位审稿人对本工作都给予较高评价。其中有审稿人特别指出:“该研究表明,相对于当前依赖于基因组解析和共表达分析的常规思路,扎实的生化和酶研究技术仍然是在非模式植物中发现原创性化合物合成途径的最重要方式。”

四川大学生命科学学院副研究员付饶和博士研究生张评瑜为该论文的共同第一作者,张阳研究员为通讯作者。四川大学教授戚世乾、副教授曹洋,以及英国约翰英纳斯中心教授Cathie Martin参与了部分工作。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-21853-6


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