項目文章 | 基因組組裝助力揭示夏枯草五環(huán)三萜生物合成新機制

文章標題：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)學科學院/北京協和醫(yī)學院藥

研究物種：夏枯草

百邁客提供：基因組測序和部分數據分析服務

2024年1月16日，The Plant?Journal上線了一篇關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”，報道了組裝到染色體水平的夏枯草基因組，為進一步闡明五環(huán)三萜的生物合成機制奠定了基礎。

摘 要

夏枯草（Prunella vulgaris）是最暢銷、應用最廣泛的中草藥之一。據中國藥典記載，它是一種清潔和保護肝臟的良藥，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)三萜是夏枯草產生的一類重要的生物活性化合物，而它們的生物合成機制仍有待闡明。本研究使用Illumina，ONT和Hi-C技術相結合的方法，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制（WGD）事件。全基因組分析鑒定出35932個蛋白編碼基因（PCGs），其中59個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PvOSC、358個PvCYP和177個PvUGT基因，其中5個PvOSCs、25個PvCYPs和9個PvUGTs被預測參與了五環(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）。這些結果為進一步闡明夏枯草中五環(huán)三萜的生物合成機制提供了堅實的基礎。

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，當地人相信含有夏枯草的涼茶具有降肝火、保護肝臟免受癌癥和炎癥、保護呼吸系統(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。三萜類化合物是植物中最大的次生代謝產物類別之一。根據骨架可分為無環(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途徑主要作用于細胞質，在細菌、古菌與真核生物中都是保守的；而MEP途徑作用于質體，主要存在于真細菌和植物中。這兩種途徑都導致通用C5異戊二烯單元的生物合成。它們會聚在異戊烯二磷酸(IPP)和烯丙基二磷酸(DMAPP)上。經法尼基二磷酸合酶(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轉化為三萜和甾體生物合成的關鍵中間體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)構象催化中間體環(huán)化，生成達原甾醇陽離子，用于類固醇和大多數四環(huán)三萜的生物合成，或通過椅-椅-椅(C-C-C)構象生成達瑪烯基陽離子，用于生成五環(huán)三萜骨架。在植物中，循環(huán)產物的進一步修飾包括主要在細胞色素P450單加氧酶(CYPs)催化下的氧化和主要在尿苷二磷酸-糖基轉移酶(UGTs)催化下的糖基化。

OSCs是由一個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)化成結構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構象催化2,3-氧化角鯊烯的環(huán)化，根據其產物可分為混合-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CYP系統(tǒng)發(fā)育樹的分支，植物CYP蛋白可分為11個氏族和127個家族。有七個氏族是單家族，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等不同位點進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)現的106個糖基轉移酶家族中屬于第1家族。根據UGTs的3D結構狀態(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一步分為18個類群(A-R)和一個外類群。五環(huán)三萜的糖基化通常發(fā)生在C-3、C-23和C-28位點，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，負責C-19羥基化的氧化酶尚未被發(fā)現。

雖然夏枯草具有很高的藥用價值，但與農作物、模式植物以及丹參、人參和罌粟等多種藥用植物相比，對其研究較少。關于其生物活性成分及其生物合成機制的報道很少。為了促進對夏枯草的研究，我們采用Illumina、ONT和Hi-C技術相結合的方法對其基因組進行了測序，并將序列組裝到染色體水平，然后進行比較分析。參與五環(huán)三萜生物合成的基因在全基因組范圍內被鑒定出來，并揭示了三種PvOSCs的功能。這些結果為進一步分析提供了夏枯草屬的第一個染色體水平的基因組。

研究結果

參考文獻：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