控制抗抑郁分子貫葉連翹素生物合成的基因簇及進化歷程

貫葉連翹（Hypericum perforatum），又名圣約翰草（St John’s wort），在歐亞各民族都有作為傳統草藥使用的歷史，也是我國傳統的中藥材之一，最早被《本草綱目拾遺》收載。貫葉連翹在西方用于治療煩躁不安、情緒低落、憂慮、集中力差、精神緊張等已有較悠久的歷史，近些年被用于治療輕、中度抑郁癥，其抗抑郁藥效來自于提取物中的貫葉連翹素（hyperforin），但控制其生物合成途徑的基因尚未得到解析。

　　近日，New Phytologist在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心Evangelos Tatsis研究組完成的題為Convergent gene clusters underpin hyperforin biosynthesis in St John's wort的研究論文。該研究基于基因組挖掘和生化實驗解析了編碼hyperforin生物合成前三步的兩個基因簇并剖析了這些基因簇何時以及通過何種方式組裝形成，探索了植物中次生代謝的進化歷程，為全面解析具有抗抑郁活性的hyperforin生物合成途徑奠定基礎。

　　研究對貫葉連翹的基因組以及轉錄組數據進行組裝，并借助PlantiSMASH挖掘基因組中的生物合成基因簇，得到兩個包含BCKDHA（α-酮酸脫氫酶復合物E1亞基）、CCL（酰基轉移酶）、PKS（聚酮合酶）和MT（甲基轉移酶）四種代謝基因的基因簇，其中BCKDHA、CCL和PKS的共同出現符合hyperforin代謝途徑的預測步驟。

　　通過異源表達純化蛋白、酵母共表達系統以及煙草瞬時表達系統，研究解析了基因簇中基因編碼酶的活性。BCKDHA、CCL和PKS蛋白在酵母中的共表達可以生成hyperforin前體（PIBP）的分子骨架。此外，研究對CCL的酶動力學分析證明了兩個基因簇對hyperforin及其類似物生成具有不同的貢獻比例。盡管MT不存在于推測的代謝通路中，體外表達的甲基轉移酶能夠甲基化PIBP，研究將該分子命名為guanyine，通過分析煙草表達系統提取物推測MT可能具有解毒作用。

　　借助于比較基因組分析，研究在同屬金尾虎目且合成hyperforin類似物的鐵力木（Mesua ferrea）中發現了與貫葉連翹中具有共線性的基因簇，而在其他植物中未發現有包含全部四種基因類型的基因簇。結合物種發育樹與共線性分析，研究發現兩個基因簇具有完全不同的進化歷程：BGC1由包含BCKDHA與CCL的基因區域招募PKS與MT；BGC2則由CCL招募BGC1來源的PKS/MT基因對，且僅在貫葉連翹中發現。

　　研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、中科院國際伙伴計劃、上海市科學技術委員會、中國博士后科學基金等的支持。