癌症嚴重危害人類的生命健康，緻死率極高。2020年中國占全球新發癌症病例的24%，占全球癌症死亡病例的30%。抗癌藥的研究日益迫切，近年來，中藥提取的抗癌有效成分逐漸被重視。從中藥中篩選出的抗癌藥，其藥效遠高于化學合成藥且毒副作用較小。目前植物來源的抗癌藥物有長春花堿和紫杉醇，而更多的抗癌中藥亟待開發。
半枝蓮（Scutellaria barbata D. Don），為唇形科黃芩屬多年生植物，半枝蓮全草是中醫處方中的常用藥，2020版《中國藥典》記載半枝蓮“清熱解毒，化瘀利尿。用于疔瘡腫毒，咽喉腫痛，跌撲傷痛，水腫，黃疸，蛇蟲咬傷”。《中藥大辭典》、《中華惡性良性腫瘤治療大成》記載半枝蓮具有治療肝癌、肺癌、乳腺癌、結腸癌的功效。是以，解析半枝蓮抗癌物質的代謝途徑，挖掘代謝關鍵基因，對于抗癌藥的生物合成及開發具有重要的應用價值和市場前景。
半枝蓮克羅烷型二萜類化合物具有抗癌的功效，如Scutebarbatine G、Scutebarbatine H、Scutebarbatine I、Scutebarbatine J和Scutebarbatine O對HONE-1（人鼻咽癌細胞細胞系）、KB（口腔癌細胞系）、HT29（結腸癌細胞系）具有明顯的抑制作用，Scutebarbatine A對乳腺癌耐藥細胞（MCF-7/ADR）和小膠質細胞（BV2）有比較好的抑制作用（圖1）。半枝蓮體内有127種克羅烷型二萜類化合物，它們具有相同的克羅烷骨架（clerodane skeleton；圖1，A）。有趣的是，黃芩屬植物黃芩（Scutellaria baicalensis）中僅鑒定到一種克羅烷型二萜類化合物（圖1，O）。
圖1. 黃芩屬植物中結構各異的克羅烷型二萜類化合物
2023年1月 11日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心Evangelos Tatsis課題組與英國約翰英納斯（JIC）Cathie Martin課題組合作在國際學術期刊Molecular Plant線上發表了題為The genomes of medicinal skullcaps reveal the polyphyletic origins of clerodane diterpene biosynthesis in the family Lamiaceae的論文。該工作首次解析了參與半枝蓮抗癌物質克羅烷型二萜代謝途徑的I型二萜合酶，并設計體内、體外酶活實驗結合半枝蓮和煙草葉綠體實驗，證明葉綠體内的磷酸酶并不參與克羅烷型二萜類化合物代謝途徑（在此之前有科學家認為磷酸酶可能參與此代謝途徑），并且揭示唇形科黃芩屬和鼠尾草屬克羅烷型I型二萜合酶存在多起源途徑，而克羅烷II型二萜合酶貌似單起源實則不然，為解析克羅烷型二萜代謝途徑的下遊步驟提供基礎。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.006
此前科學家在唇形目物種鑒定到克羅烷型二萜類化合物代謝途徑的II型二萜合酶，如ArTPS2、SdKPS、VacTPS5、TwTPS14，但未發現相應的I型二萜合酶，限制了對克羅烷型二萜類化合物代謝途徑的解析。克羅烷型二萜類化合物來源于共同的前體物質：牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（GGPP, Geranylgeranyl pyrophosphate），GGPP可以在細胞的葉綠體（MEP途徑）和細胞質（MVA途徑）中合成。二萜合酶（diTPS, diterpene synthase）通過催化GGPP産生二萜。二萜合酶包括II型二萜合酶（具DXDD基序）和I型二萜合酶（具DDXXD基序）。本課題組通過對半枝蓮進行基因組（圖2）及轉錄組測序，篩選到候選二萜合酶。
圖2. 半枝蓮基因組組裝草圖
通過煙草瞬時轉化實驗和酶活實驗，我們分别找到了半枝蓮、黃芩和一串紅中參與克羅烷型二萜途徑的II型二萜合酶和I型二萜合酶基因（圖3）。
圖3. 半枝蓮、黃芩和一串紅中克羅烷型二萜類化合物代謝途徑二萜合酶的功能鑒定
該研究進一步發現，克羅烷II型二萜合酶起源于赤黴素途徑的ent-柯巴基焦磷酸合酶（ent-CPS），克羅烷II型二萜合酶看似單起源，然而通過物種進化樹分析，隸屬于鼠尾草屬、分化時間較早的Salvia officinalis (藥用鼠尾草)的同源基因具有的是ent-CPS功能，而隸屬于鼠尾草屬、分化時間較晚的Salvia splendens（一串紅）的同源基因具有克羅烷II型二萜合酶功能，這種功能并非由共同祖先遺傳獲得，更可能是在鼠尾草屬獨立演化的（圖4）。
圖4. 唇形目II型二萜合酶的進化及同線性分析揭示唇形科克羅烷II型二萜合酶的進化關系
對于克羅烷I型二萜合酶而言，黃芩屬的克羅烷I型二萜合酶處于同一分支；而鼠尾草屬的克羅烷I型二萜合酶分别來自不同的分支：有具有特異性功能的（SspdiTPS1.5），有從其它途徑招募而來的如來自赤黴素途徑的I型二萜合酶（SspdiTPS1.1和SspdiTPS1.2）和來自鐵鏽醇途徑的I型二萜合酶（SspdiTPS1.3），它們均具有克羅烷I型二萜合酶的功能。基于以上結果，我們認為克羅烷I型二萜合酶在黃芩屬和鼠尾草屬中存在多起源途徑。
圖5. I型二萜合酶的進化樹分析
Evangelos Tatsis課題組助理研究員李海修、博士生吳松和Cathie Martin課題組博士生林若曦為該論文的共同第一作者，Evangelos Tatsis和Cathie Martin為論文的共同通訊作者。該工作得到了希臘研究與技術中心-應用生物科學研究所A. M. Makris教授、愛荷華州立大學R. Peters教授、英國約翰英納斯中心R. Hughes和M. Franceschetti博士、中科院分子植物科學卓越創新中心陳曉亞院士、王勇研究員、李辰意博士的幫助；此外，該研究工作得到中心代謝平台胡文利、徐曉燕和王姗姗的幫助。研究項目獲得了牛頓進階學者基金、英國生物技術和生物科學研究委員會、中國科學院先導項目、上海市科學技術委員會、中心引進人才項目、博士後國際交流項目基金的資助。
Evangelos Tatsis研究組資訊：
Evangelos Tatsis 研究組隸屬于中國科學院（CAS）與約翰英納斯中心（JIC）合作建立的植物和微生物科學聯合研究中心（CEPAMS），主要研究方向是探究植物如何産生天然産物，闡明、了解和設計藥用植物中天然産物生物合成的代謝途徑。為了實作這些重要目标，我們采用基于基因組資源的方法，利用生物資訊學、分子生物學和酶學技術以及合成生物學進行研究。歡迎有全合成、天然産物化學、合成生物學、結構生物學和植物學背景的學生、科研助理和博士後申請從事植物天然産物的生物合成工作。
溫馨提示：本文轉自“Mol Plant植物科學”，文章轉載隻為學術傳播，無商業用途，版權歸原作者所有，如涉及侵權問題，請聯系我們，我們将及時修改或删除。