二萜糖苷甜茶素的生物合成途徑研究獲進展

6 月 6 日，國際學術期刊 Molecular Plant 在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心 / 植物生理生態研究所王勇研究組題為 Diterpenoid UDP-glycosyltransferases from Chinese Sweet Tea and Ashitaba Complete the Biosynthesis of Rubusoside 的研究論文。該研究首次解析了甜茶素 (rubusoside) 的生物合成過程，報道了甜葉懸鉤子 (R.suavissimus) 與明日葉 (A.keiskei) 中挖掘得到 6 條新的二萜糖基轉移酶，並對其底物識別的機制進行了研究。

二萜類化合物是一類重要的植物源次生代謝產物，具有廣泛的生理和藥用活性。儘管二萜類化合物具有廣泛的分布，但其糖基化修飾卻非常罕見，自然界僅有極少數植物，如甜葉菊 (S. rebaudiana)、甜葉懸鉤子 (R. suavissimus) 與明日葉 (A. keiskei) 等能生產糖基化的二萜類化合物。這些二萜糖苷在食品工業、藥物開發中具有巨大的開發和應用前景。甜茶素（Rubusoside）即是其中的代表，它是一種稀有的糖基化貝殼杉烯型四環二萜類分子，主要來源於兩種葯食同源的植物——甜葉懸鉤子和明日葉。其甜度約為蔗糖的 60 倍而熱量僅僅為蔗糖的 1 /10，是一種理想的天然甜味劑。新近的報道表明，甜茶素是首個發現的可同時抑制人果糖轉運蛋白 GLUT5 和葡萄糖轉運蛋白 GLUT1 的小分子化合物，具有獨特的藥理活性。

為了解析甜茶素的合成途徑，該研究在前期甜菊糖苷的工作基礎上，進一步對甜葉懸鉤子和明日葉的葉組織樣本進行了轉錄組分析，通過物種間進化分析、結合基因克隆表達與功能表徵，找出了甜茶素生物合成過程中的糖基化途徑的關鍵酶基因，結果發現甜葉懸鉤子來源的 UGT75L20、UGT75T4、UGT85A57 和明日葉來源的 UGT75L21、UGT75W2、UGT85A58 參與了這一過程。在對甜葉懸鉤子來源的 UGT85A57 的深入研究中進一步發現，UGT85A57 具有高度的底物專一性，僅催化 19 位具有糖基的 steviol 衍生物。為了研究糖基轉移酶如何專一性地識別底物，作者通過同源建模分析，對 UGT85A57 中可能影響二萜底物識別的 20 個 N 端和 5 個 C 端氨基酸殘基進行了定點突變，發現 L141M、S149G 和 L153F 三個位點的突變使得 UGT85A57 的底物專一性降低，表明它們在二萜底物的專一性識別方面起到重要作用。最終，作者通過不同物種來源的糖基轉移酶的正交組合，在微生物細胞中實現了甜茶素的高效全細胞轉化。該研究首次闡明了甜茶素的合成過程，也為通過合成生物技術實現甜茶素類稀有二萜糖苷的大規模工業生產奠定了基礎。該研究結果豐富了人們對四環二萜類化合物的糖基化修飾的認識，對二萜化合物的糖基轉移酶的底物專一性識別機制提供了有助的見解。為今後利用和改造這類修飾酶，獲得更多的非天然二萜類糖基化產物，改善二萜類化合物的結構和功能多樣性提供了基礎。目前，這一成果已與浙江震元製藥有限公司簽署了基於合成生物技術的甜茶素產業化開發協議。

王勇帶領的天然產物合成生物學研究組長期從事天然產物的合成生物學研究。研究內容涉及各種與天然產物合成相關的基因、模塊、途徑和宿主等資源的分離、鑒定，天然產物的合成生物學設計與異源合成等。基於合成生物學人工設計的原理，獲得天然的或非天然的複雜次生代謝產物是該組研究的核心內容。

天然產物合成生物學研究組博士後孫雨偉、博士生陳卓為論文的第一和第二作者，王勇為論文的通訊作者。植生生態所植物分子遺傳國家重點實驗室研究員張鵬、副研究員李建戌、上海海洋大學食品科學與工程學院副教授楊靖亞等也為該研究作出了貢獻。該研究得到了國家自然科學基金、上海市科委重點基礎研究項目、中科院重點研究項目、先導 B 類和植物分子遺傳國家重點實驗室的資助。

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