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雷公藤基因組測序和雷公藤素生物合成途徑的解析

本研究通過構建一個高質量的雷公藤基因組,發現雷公藤生物合成途徑基因受到最近的全基因組復制事件的影響。結合基因組、轉錄組和代謝組的多組學研究揭示雷公藤甲素代謝途徑,成功篩選并鑒定細胞色素P450(CYP728B70)基因,其編碼蛋白催化三步氧化反應生成雷公藤甲素中間體Dehydroabietic acid,進而通過合成生物學策略實現其在釀酒酵母中的異源合成。這項工作有助于雷公藤甲素生物合成途徑的揭示,為雷公藤甲素的生物合成奠定基礎。

標題:Genome of Tripterygium wilfordii and identification of cytochrome P450 involved in triptolide biosynthesis

研究團隊:首都醫科大學高偉教授團隊、中國中醫科學院黃璐琦院士團隊

期刊:Nature communications (IF:11.878)

 

研究背景

雷公藤(Tripterygium wilfordii)是治療類風濕性關節炎等疾病的傳統中藥。其主要活性成分雷公藤甲素(Triptolide)具有抗炎、免疫抑制、抗腫瘤活性,特別是對胰腺癌細胞。但是雷公藤植物栽培周期長,雷公藤甲素的植物提取產率極低,化學合成困難,價格昂貴,雷公藤植物資源面臨巨大挑戰。雷公藤基因組序列的破譯和雷公藤甲素生物合成途徑的揭示將有助于雷公藤甲素生物合成研究的推進,是解決雷公藤甲素資源獲取的前提條件。

 

主要研究內容

基因組組裝及注釋

結合PacBio、10X Genomics及Hi-C進行測序組裝,獲得348.38 Mb的基因組,Contig N50為4.36Mb,Scaffold N50為13.52Mb;共注釋28321個蛋白編碼基因,重復序列為52.36%。

基因組進化促進了雷公藤甲素的形成

使用15種植物的514個單拷貝基因進行進化樹構建和分化時間估計,研究發現雷公藤與木薯、毛果楊的祖先關系最近,估計分化時間為87.10MYA。基因家族聚類顯示,雷公藤擁有951個特有基因家族,KO和KEGG注釋發現,其在萜烯合酶、氧化還原過程和植物-病原相互作用等功能上富集。4DTv分布及共線性分析顯示,雷公藤經歷了核心雙子葉植物γ三倍化事件,同時在與毛果楊和木薯發生分化后,又經歷了另一個特有的全基因組復制事件。雷公藤最近的WGT事件發生在古第三紀(65-23.3mya)到新第三紀(23.3-1.64mya)期間。雷公藤甲素生物合成途徑基因的拷貝數受全基因組復制事件的影響,表明該過程對雷公藤甲素合成至關重要。同時,在雷公藤基因組中還發現TwCPS1、TwMS基因簇。

特異性CYP基因的鑒定及功能驗證

通過基因組、轉錄組和代謝組學數據,作者繪制了從基因到代謝物網絡的圖譜,結合可誘導性和組織特異性分析,最終篩選出與雷公藤甲素生物合成有關的10種細胞色素酶CYP基因。借助遺傳轉化系統及合成生物學工具,成功篩選并鑒定細胞色素P450(CYP728B70)基因,結果顯示CYP728B70的低轉錄水平限制了產物的合成。該基因是CYP728家族第一個被明確功能的基因,其編碼蛋白催化三步氧化反應生成雷公藤甲素中間體Dehydroabietic acid,進而通過合成生物學策略實現其在釀酒酵母中的異源合成。該研究還提供了參與雷公藤甲素生物合成的候選P450基因、代謝物及調控雷公藤甲素生物合成的轉錄因子,為推進雷公藤甲素生物合成途徑的完全解析奠定了重要基礎。


研究意義

本研究為雷公藤及其它植物藥用資源保護和持續利用提供新的研究策略和有效途徑,也為植物細胞色素P450家族功能研究提供借鑒,對于發掘保護我國重要藥用植物基因資源、揭示中藥活性成分形成分子機制、指導遺傳育種及其有效成分“細胞工廠”合成生物學生產等具有重要科學意義和巨大應用價值。


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