An integrated strategy to identify genes responsible for sesquiterpene biosynthesis in turmeric

Biosynthetic pathway of active components in traditional Chinese medicine and its application

“…。植物次生代谢产物 是不同植物在长期进化过程中为应对不同的环境变 化而产生的，与植物的环境适应性密切相关 [2] 。其中 萜类化合物和苯丙素类广泛存在于不同的科属种， 生 物碱的积累范围相对较窄， 比如异喹啉类生物碱仅存 在于毛茛目 [3] [11,12] 、 CYP76AH3 和 CYP76AK1 能够催化丹参酮碳骨架结 构生成 C 环酮基化的中间代谢产物 [13] 、CYP71D373 和 CYP71D375 能够催化丹参酮特征五元呋喃环的形 成 [9] 。这种基于比较时空组学分析的基因筛选策略在 药用活性成分生物合成研究中应用非常广泛 [14,15] [13] 。 如穿心莲中的一个糖基转移酶具有 非常宽泛的杂泛性， 能催化 26 种不同类型的底物 (二 萜及其衍生物、黄酮类化合物，以及一些简单的芳香 族化合物)形成 O-，S-，N-等糖苷 [16] 。这种催化杂 泛性，一方面产生了复杂的药用植物代谢网络，生成 结构多样的小分子化合物，但是另一方面，酶的专一 性较差影响了目标代谢物的生成和积累， 因此基于结 构生物学的酶理性结构改造成为近几年的研究热点。 通过对丹参酮生物合成途径两个同源性 70%左右的 P450 进行序列比较分析、分子对接以及点突变改造， 成功将两个基因的功能整合至一个 P450 中，显著提 升了催化效率 [17] 。 另一方面酶的改造很大程度上依赖 于对酶蛋白结构及其催化机制的了解， 通过解析蛋白 的结构，对关键氨基酸残基进行改造，从而改造酶的 催化特性，拓宽其开发应用价值 [18] 。但是蛋白质组的 全面结构解析是后基因组时代的一个重要挑战， 到目 前为止， 仅有 35%的人类蛋白质结构被登记到蛋白质 数据库(PDB 数据库) ，不同蛋白的表达、纯化、数 据收集处理还需要克服诸多障碍。所幸的是，2021 年 8 月 DeepMind 公司在其前期工作的基础上公布了 Alphafold2 人工智能系统及其源代码 [19] ，其蛋白三级 结构预测的准确性和精度进一步提升， 在一定程度上 解决了一些难以获得晶体的蛋白的结构解析， 推动基 于结构-功能相关性的结构改造和提升。 自然界中生命无时无刻不在进化发展， 但是一个 新性状的稳定遗传需要相当长的时间， 随着基因工程 技术的不断发展， 科学家可以在实验室模拟和加速自 然进化，并设计高通量筛选方法来获得目标性状。 2018 年弗朗西斯.阿诺德因酶的定向进化获得诺贝尔 化学奖，阿诺德的实验室通过酶的进化演化，产生能 够催化自然界不存在的化学反应， 利用进化的力量解 决化学问题 [20] 。 植物次生代谢的酶在微生物中的表达 和功能往往受限， 而随着结构生物学和计算生物学的 发展，越来越多的酶结构被解析、海量数据集出现、 量子化学理论及方法的不断完善、 机器学习等人工智 能的应用等， 对酶蛋白序列及其结构与功能关系有了 更深入的认识， 辅助于计算机的模拟计算可以对酶进 行重新设计，并预测突变蛋白的表达、稳定性、活性 等特性， 通过这样理性的设计计算以及有针对性的建 库和筛选，实现了酶的半理性设计 [21,22] 。研究者通过 利用定向进化技术与晶体结构解析以及理论计算设 计的组合， 解析了柠檬烯环氧化物水解酶的催化特异 性与立体选择性的催化机制 [23] ； 改造了糖基转移酶的 区域选择性， 将杂泛性糖基转移酶定向改造为具有催 化位点特异性的酶 [21] 。 计算生物学和计算化学的发展 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSV-2021-0401 和应用将为酶的定向进化提速， 从而获得目标更明确 的酶，以应用到植物天然产物的生成和结构改造中。 1.3 合成途径解析及途径设计 药用活性成分在植物中的合成经过一系列酶的 催化产生目标产物，除了人参皂苷、β-榄香烯等部分 小分子化合物的完整合成途径已经被解析 [24,25] ， 大多 数药用活性化合物的完整合成途径仍然不明确。 青蒿 素前体物质青蒿酸虽然已经实现了合成生物学方式 的工业化生产， 但从青蒿酸到青蒿素的合成过程是否 有酶的参与，是哪类酶发挥作用仍然不明确 [26] 。而紫 杉醇生物合成的 19 步途径中仍然有多步未解析，导 致合成生物学生产的工作始终无法开展， 其生物合成 途径的解析备受全球关注 [27] [29] [30] ， 酵母 中阿片类化合物的生成 [31] 等里程碑式成果； 构建了鼠 尾草酸 [32] 、人参皂苷 [24,33] 、大麻素类化合物 [34] [35] 。 在松香烷型二萜的前体物质 次丹参酮二烯工程菌的构建中，Zhou 等通过过表达 萜...…”