2022年7月6日，Nature在线发表了德国马普化学生态研究所Sarah E. O’Connor团队题为“Biosynthesis of strychnine”的研究论文。该研究利用代谢物分析、转录组分析和本氏烟草中的酶学表征，解析了植物中参与士的宁和马钱子碱生物合成的一系列步骤及其相关的酶基因，揭示了它们生物合成的完整途径。
https://doi.org/10.1038/ s41586-022-04950-4
士的宁（strychnine）是一种复杂的单萜吲哚生物碱，早在1818年就从马钱子（Strychnos nux-vomica）毒果的种子中分离出来，并作为中药在中国和南亚地区广泛使用。由于它与甘氨酸受体具有高亲和力，令人惊讶的是，植物是如何生成这种复杂生物碱的，仍然未知。
士的宁的部分生物合成假说早在1948年就提了出来，并通过对马钱子喂养放射性同位素标记的底物得到了证实；该研究表明士的宁来自色氨酸（tryptophan）和焦磷酸香叶酯（geranyl pyrophosphate），它们可生成士的宁的重要中间产物，geissoschizine和魏兰-盖里希醛（Wieland–Gumlich aldehyde）。然而，其中间步骤仍不清楚。此外，士的宁可通过羟基化和甲基化生成马钱子碱（brucine）；该合成过程也不清楚（Figure 1）。
Figure 1. 推测的士的宁和马钱子碱生物合成途径
为了解析士的宁生物合成的完整途径，该研究首先比较了马钱子属中S. nux-vomica（可生成士的宁）和Strychnos sp.（不可生成士的宁）的代谢产物；并显示，只有S. nux-vomica的根可积累士的宁、异士的宁（isostrychnine）、β-可鲁勃林（β-colubrine）和马钱子碱。接着，该研究对两种植物进行了组织特异性RNA测序，并按3个规则确定了一系列的备选基因：1）在S. nux-vomica的根中高表达；2）与假定的上游基因共表达；3）可编码具有催化功能的蛋白质（Figure 2）。
Figure 2. 马钱子宁产生株和马钱子碱产生株候选基因表达分析
鉴于魏兰-盖里希醛和生物碱中间体 dehydropreakuammicine的结构相似；研究人员推测，魏兰-盖里希醛可通过dehydropreakuammicine的酯水解、脱羧、氧化和还原来生成。按此推测，该研究发现了参与这些反应的相关基因，并分别命名SnvGO、SnvNS1/ SnvNS2、SnvNO和SnvWS（Figure 3a）。
尽管Strychnossp.不能生成士的宁，但它可以产生类似化合物，达波灵（diaboline）。该研究发现，Strychnossp.具有上述基因的同源物，也可生成魏兰-盖里希醛。不同的是，魏兰-盖里希醛在Strychnossp.中由BAHD酰基转移酶SpAT转变为达波灵；而S. nux-vomica中的BAHD酰基转移酶SnvAT则介导了N-丙二酰魏兰-盖里希醛的生成。值得注意的是，N-丙二酰魏兰-盖里希醛可直接在生理条件下缓慢转变成士的宁和异士的宁，无需酶的催化；另外，高温可以加速该转变过程（Figure 3b）。
马钱子碱是士的宁的衍生物，同样可在S. nux-vomica的根部积累。通过类似的方法，该研究解析了从士的宁生成马钱子碱的各个步骤及其相关的酶；并分别命名为：Snv10H、SnvOMT和Snv11H，其中SnvOMT可同时介导β-可鲁勃林和马钱子碱的生物合成（Figure 3a）。
Figure 3. 达波灵、士的宁和马钱子碱的完整生物合成途径
综上所述，该研究通过整合化学逻辑、代谢产物、转录组数据和酶学表征，发现了将geissoschizine转化生成达波灵、士的宁和马钱子碱的9种酶；揭示了植物中士的宁和马钱子碱生物合成的完整途径。同时，为马钱子类生物碱衍生物的异源生产提供了遗传基础，对合成生物学提出了新的挑战。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04950-4
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