植物環(huán)肽類物質來源廣泛且化學結構及生物活性多樣，具有代謝穩(wěn)定性強,、口服利用度高的特點,，然而不同類型植物環(huán)肽的生物合成機理多樣,，石竹科-類型環(huán)肽作為植物環(huán)肽類物質第二大類群,，在抗菌,、抗腫瘤等方面的活性極具開發(fā)和利用潛力,。太子參（Pseudostellaria heterophylla (Miq.) Pax,）屬于石竹科的草本植物,，為典型的藥食兩用的傳統(tǒng)中藥材,，具有益氣健脾、生精潤肺的功效,?！吨袊幍洹访鞔_規(guī)定太子參環(huán)肽B為其藥用品質的標志性成分，在改善神經性損傷引起的記憶缺失和二型糖尿病等方面具有顯著作用,，但其生物合成途徑尚不清楚,，嚴重制約環(huán)肽類物質的開發(fā)和利用,。

近日，《植物通訊（Plant Communications）》上在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所（嶺南現代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）合成生物學研究中心李偉課題組聯合福建農林大學林文雄教授團隊題為“Identification of a key peptide cyclase for novel cyclic peptide discovery in Pseudostellaria heterophylla”的研究論文,。該研究通過多組學關聯分析和底盤表達等多種合成生物手段,，篩選到環(huán)肽類物質生物合成關鍵環(huán)化酶基因，解析其切割和環(huán)化活性,，闡明催化機理,，并利用該關鍵酶和植物底盤發(fā)掘和合成多個太子參的新環(huán)肽。該研究突破了植物中低含量天然產物發(fā)掘的瓶頸,，推動反向遺傳學在物質發(fā)掘和合成生物學中的應用,。

本研究采用合成生物學研究策略，利用基因組,、轉錄組和代謝組數據,，篩選環(huán)肽類物質合成前體蛋白基因和環(huán)化酶基因，并借助本氏煙草瞬時表達體系,、體外酶活體系及基因沉默（VIGS）體系闡明了關鍵環(huán)化酶的功能,，開發(fā)了一套基于前體蛋白基因指導的新環(huán)肽類物質植物底盤發(fā)掘平臺。通過化學合成的已知環(huán)肽標準品（HB/PE/PF/PG）,，借助中心代謝平臺的高分辨率液相質譜（Q ExactiveTM HFX）構建環(huán)肽類物質檢測平臺,，明確了太子參環(huán)肽類物質在根中積累的特點。通過對不同組織部位候選基因的表達量分析,，發(fā)現2個PhOLP1基因和3個PhPCY1基因在根中高表達,，環(huán)肽類物質含量與候選基因Person相關性分析結果表明上述5個基因與之環(huán)肽類物質含量顯著正相關。

圖1 太子參環(huán)肽類物質合成候選基因篩選

本氏煙草瞬時表達體系共表達前體蛋白基因和候選合成酶基因,，結果表明PhPCYs中的PhPCY3催化太子參環(huán)肽B的生物合成,，通過原核克隆表達純化帶MBP標簽環(huán)化酶的蛋白，合成線性的HB [14-35],、HB [14-21]底物和HB [22-35],，體外酶活實驗結果表明環(huán)化酶可以催化HB[14-35]生成HB和副產物HB [22-35]，但不能直接催化線性化HB[14-21]生成HB,；利用太子參體內的基因沉默（VIGS）體系沉默關鍵環(huán)化酶基因能顯著降低其基因的表達量和對應環(huán)肽類物質含量,。

圖2 太子參環(huán)肽類物質合成關鍵環(huán)化酶基因功能驗證

通過分子對接環(huán)化酶與不同的前體蛋白底物（PreCPs），篩選不同底物與環(huán)化酶活性中心關鍵催化位點,，結合氨基酸序列中Prolyl oligopeptide domain序列比對分析,，發(fā)現文獻報道的環(huán)化酶關鍵三聯體（Traid）氨基酸位點（S/D/H）在沒有活性的PhPCY1/2蛋白中保持保守，而活性中心4?內的N500和S502為不同底物與環(huán)化酶之間共有的關鍵活性位點,，定點突變上述位點則能顯著降低環(huán)化酶的催化活性,。

圖3 定點突變環(huán)化酶的關鍵催化位點N500和S502降低其催化活性

從不同栽培品種太子參轉錄組中篩選到環(huán)肽的前體蛋白基因110多肽條，其中100多條序列為潛在的新環(huán)肽類物質,，利用本氏煙草的植物底盤篩選到多個新的環(huán)肽類物質,，包括cyclo-[LDGPPPYF], cyclo-[WGSSTPHT],cyclo-[GLPIGAPWG] 和cyclo-[FGDVGPVI],，發(fā)掘的新環(huán)肽可用于未來生物活性的篩選和利用。

圖4 前體蛋白基因指導的太子參新環(huán)肽的發(fā)掘

基因組所（大鵬灣實驗室）博士后秦賢金為論文第一作者,，王鳳姣博士,、謝德金博士后和周齊博士參與研究項目，福建農林大學林生教授和林文雄教授提供了太子參基因組和轉錄組數據支持,，福建農林大學林文雄教授和基因組所(大鵬灣實驗室)李偉研究員為論文的共同通訊作者,，論文得到重點研發(fā)項目和國家自然科學基金項目的資金支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259034622500077X