項(xiàng)目文章 | 基因組組裝助力揭示夏枯草五環(huán)三萜生物合成新機(jī)制

文章標(biāo)題：Chromosome-level genome assembly of?Prunella vulgaris?L. provides insights into pentacyclic triterpenoid biosynthesis

期刊名稱：The Plant Journal

合作單位：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥

研究物種：夏枯草

百邁客提供：基因組測序和部分?jǐn)?shù)據(jù)分析服務(wù)

2024年1月16日，The Plant?Journal上線了一篇關(guān)于夏枯草基因組的研究論文，“Chromosome-level genome assembly of?Prunella vulgaris?L. provides insights into pentacyclic triterpenoid biosynthesis”，報(bào)道了組裝到染色體水平的夏枯草基因組，為進(jìn)一步闡明五環(huán)三萜的生物合成機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

摘 要

夏枯草（Prunella vulgaris）是最暢銷、應(yīng)用最廣泛的中草藥之一。據(jù)中國藥典記載，它是一種清潔和保護(hù)肝臟的良藥，幾百年來一直被許多涼茶用作配方的主要成分。它也是歐洲和其他亞洲國家的一種傳統(tǒng)民間藥物。五環(huán)三萜是夏枯草產(chǎn)生的一類重要的生物活性化合物，而它們的生物合成機(jī)制仍有待闡明。本研究使用Illumina，ONT和Hi-C技術(shù)相結(jié)合的方法，獲得了夏枯草的染色體水平參考基因組。其大小為671.95Mb，scaffold N50為49.10Mb，完整的BUSCO達(dá)到了98.45%。約98.31%的序列被錨定到14條假染色體上。比較基因組分析揭示了夏枯草中最近的全基因組復(fù)制（WGD）事件。全基因組分析鑒定出35932個(gè)蛋白編碼基因（PCGs），其中59個(gè)編碼了參與生物合成2,3-氧化鯊烯的酶。此外，還鑒定了10個(gè)PvOSC、358個(gè)PvCYP和177個(gè)PvUGT基因，其中5個(gè)PvOSCs、25個(gè)PvCYPs和9個(gè)PvUGTs被預(yù)測參與了五環(huán)三萜的生物合成。PvOSC2、PvOSC4和PvOSC6重組蛋白的生化活性測定表明，它們分別是混合香樹脂醇合酶（MAS）、羽扇豆醇合酶（LUS）和β-香樹脂醇合酶（BAS）。這些結(jié)果為進(jìn)一步闡明夏枯草中五環(huán)三萜的生物合成機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

研究背景

Prunella vulgaris（圖1a，b）是一種唇形科的多年生草本植物。它在中文里被命名為“夏枯草”，表明它通常在夏天枯萎。由于其在傷口愈合上的用途，P. vulgaris也被稱為“self-heal”。在《中國藥典》中，夏枯草的刺被記載為藥用部位，并被推薦為清潔和保護(hù)肝臟的良藥，特別是用于治療肝火癥狀，如眼睛夜間疼痛、頭暈、喉嚨痛、退熱。由于夏枯草具有抗微生物、抗炎癥、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗腫瘤、抗高血壓等多種生物活性，因此它在許多其他亞洲國家和一些歐洲國家也被用作傳統(tǒng)民間藥物。此外，在許多涼茶配方中，夏枯草也是主要成分之一。在中國，特別是在中國南方，當(dāng)?shù)厝讼嘈藕邢目莶莸臎霾杈哂薪蹈位?、保護(hù)肝臟免受癌癥和炎癥、保護(hù)呼吸系統(tǒng)免受喉嚨痛的特性。到目前為止，夏枯草已成為中國最暢銷和廣泛使用的草藥之一。

五環(huán)三萜及其皂苷是夏枯草中一類重要的生物活性成分，與夏枯草的抗癌和抗炎特性有關(guān)。三萜類化合物是植物中最大的次生代謝產(chǎn)物類別之一。根據(jù)骨架可分為無環(huán)三萜、雙環(huán)三萜、三環(huán)三萜、四環(huán)三萜、五環(huán)三萜、六環(huán)三萜等亞類。三萜的生物合成從MVA途徑的乙酰輔酶A和MEP途徑的丙酮酸與甘油醛-3-磷酸開始。MVA途徑主要作用于細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)菌、古菌與真核生物中都是保守的；而MEP途徑作用于質(zhì)體，主要存在于真細(xì)菌和植物中。這兩種途徑都導(dǎo)致通用C5異戊二烯單元的生物合成。它們會(huì)聚在異戊烯二磷酸(IPP)和烯丙基二磷酸(DMAPP)上。經(jīng)法尼基二磷酸合酶(FPPS)、角鯊烯合成酶(SQS)和角鯊烯環(huán)氧化酶(SQE)的連續(xù)催化，IPP和DMAPP轉(zhuǎn)化為三萜和甾體生物合成的關(guān)鍵中間體2,3-氧化角鯊烯。隨后，氧化角鯊烯環(huán)化酶(OSCs)通過椅-船-椅(C-B-C)構(gòu)象催化中間體環(huán)化，生成達(dá)原甾醇陽離子，用于類固醇和大多數(shù)四環(huán)三萜的生物合成，或通過椅-椅-椅(C-C-C)構(gòu)象生成達(dá)瑪烯基陽離子，用于生成五環(huán)三萜骨架。在植物中，循環(huán)產(chǎn)物的進(jìn)一步修飾包括主要在細(xì)胞色素P450單加氧酶(CYPs)催化下的氧化和主要在尿苷二磷酸-糖基轉(zhuǎn)移酶(UGTs)催化下的糖基化。

OSCs是由一個(gè)基因家族編碼的一組環(huán)化酶，可催化2,3-氧化角鯊烯環(huán)化成結(jié)構(gòu)多樣的甾醇和三萜骨架。在植物甾醇(如羊毛甾醇和環(huán)阿屯醇)的生物合成過程中，OSCs通過CBC構(gòu)象催化2,3-氧化角鯊烯的環(huán)化。參與這些過程的OSCs分別被稱為羊毛甾醇合酶(LAS)和環(huán)阿屯醇合酶(CAS)。在五環(huán)三萜的生物合成過程中，OSCs通過CCC構(gòu)象催化2,3-氧化角鯊烯的環(huán)化，根據(jù)其產(chǎn)物可分為混合-香樹脂醇合酶(MAS)、羽扇豆醇合酶(LUS)、β-香樹脂醇合酶(BAS)和DS。

CYP超家族是植物中最大的基因超家族之一。根據(jù)CYP系統(tǒng)發(fā)育樹的分支，植物CYP蛋白可分為11個(gè)氏族和127個(gè)家族。有七個(gè)氏族是單家族，包括CYP51、CYP74、CYP97、CYP710、CYP711、CYP727、CYP746，而其余的CYP71、CYP72、CYP85、CYP86氏族為多家族。在生成骨架后，在五環(huán)三萜的C-2、C-3、C-16、C-19、C-22、C-23、C-24、C-28等不同位點(diǎn)進(jìn)行氧化和糖基化修飾，生成大量的三萜。氧化修飾主要涉及CYP716家族成員。此外，CYP51、CYP71、CYP72、CYP85、CYP87、CYP88和CYP93家族的一些成員也可能參與。

以尿苷二磷酸糖作為糖基供體的可能性命名的UGTs，在已發(fā)現(xiàn)的106個(gè)糖基轉(zhuǎn)移酶家族中屬于第1家族。根據(jù)UGTs的3D結(jié)構(gòu)狀態(tài)，將其分為GT-A、GT-B、GT-C和GT-D四種類型。植物UGTs屬于GT-B，它在開花植物中可進(jìn)一步分為18個(gè)類群(A-R)和一個(gè)外類群。五環(huán)三萜的糖基化通常發(fā)生在C-3、C-23和C-28位點(diǎn)，主要涉及UGT73家族成員和UGT71、UGT74、UGT85、UGT91和UGT94家族的部分成員。雖然C-19羥基化的五環(huán)三萜類化合物，如苦委陵菜酸(TA)、坡模酸(PA)及其皂苷廣泛存在于植物中，但迄今為止，負(fù)責(zé)C-19羥基化的氧化酶尚未被發(fā)現(xiàn)。

雖然夏枯草具有很高的藥用價(jià)值，但與農(nóng)作物、模式植物以及丹參、人參和罌粟等多種藥用植物相比，對(duì)其研究較少。關(guān)于其生物活性成分及其生物合成機(jī)制的報(bào)道很少。為了促進(jìn)對(duì)夏枯草的研究，我們采用Illumina、ONT和Hi-C技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)其基因組進(jìn)行了測序，并將序列組裝到染色體水平，然后進(jìn)行比較分析。參與五環(huán)三萜生物合成的基因在全基因組范圍內(nèi)被鑒定出來，并揭示了三種PvOSCs的功能。這些結(jié)果為進(jìn)一步分析提供了夏枯草屬的第一個(gè)染色體水平的基因組。

研究結(jié)果

參考文獻(xiàn)：Zhang, S., Meng, F., Pan, X., Qiu, X., Li, C. and Lu, S. (2024), Chromosome-level genome assembly of?Prunella vulgaris?L. provides insights into pentacyclic triterpenoid biosynthesis.?Plant Journal. https://doi.org/10.1111/tpj.16629

文章來源于植物代謝研究