美国斯坦福大学《Nature》 秋水仙碱合成的发现与工程化

很少有完整的途径从植物中合成药用化合物。因此，许多植物衍生疗法是直接从药用植物或植物细胞培养中分离出来的。一个最主要的例子是秋水仙碱， 美国食品和药物管理局（FDA）批准的应对来自Colchicum和Gloriosa物种的炎症疾病的治疗的物质。

近日，来自于美国斯坦福大学Elizabeth S. Sattely教授（通讯作者）结合了转录组学，代谢逻辑学和途径重构的原理，阐明了近乎完整的秋水仙碱生物合成途径，而无需事先了解生物合成基因，测序的基因组或天然宿主中的遗传工具。研究发现了用于生物合成N-甲酰基秋水仙胺的八个基因，其作为一种秋水仙碱的前体，其中含有特征性的螺环和药效团。值得注意的是，作者确定了一种非典型的细胞色素P450，它可以催化产生明显的秋水仙碱碳支架所需的膨胀反应，进一步用新鉴定的基因工程改造生物合成途径（总共包括16种酶）。这项研究为含有环庚三烯酚酮的秋水仙碱生物碱建立了一条代谢途径，并为植物用于从简单氨基酸生成复杂的生物活性代谢物的独特化学方法提供了新的见识。相关论文以题为“Discovery and engineering of colchicine alkaloid biosynthesis”发表在Nature上。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2546-8

药用植物是生物活性小分子的主要来源，是治疗人类疾病的有效方法。一个突出的例子是Colchicum和Gloriosa植物物种的使用，这些植物几百年来已经被用于治疗炎症性疾病。其作用的产生主要是归因于植物秋水仙碱的生产，秋水仙碱是一种生物碱，已被FDA批准用于治疗痛风和家族性地中海热的急性病例。虽然还并不完全清楚它是如何调控微管动力学，降低在炎症中的效果，但秋水仙碱的生物活性被认为是由于它与微管蛋白二聚体的相互作用和抑制微管生长。秋水仙碱本身太过强大而不能用于化学疗法，甚至对于痛风治疗也必须严格服用一定剂量的秋水仙碱以避免毒性。然而，秋水仙碱与微管蛋白相互作用引起的抗有丝分裂作用使秋水仙碱成为重要的研究工具，同时它已被用于鉴定人类染色体的数量，研究微管动力学以及诱导植物多倍体。

图1.秋水仙碱生物合成的预测总结。秋水仙碱生物合成的途径是基于广泛的放射性同位素标记研究和从产秋水仙碱的植物中分离的生物碱的结构表征。

图2.通过表达相关性分析在公共G. superba转录组中鉴定的候选甲基转移酶和细胞色素P450转录本

图3.结合转录组和代谢组鉴定秋水仙碱生物合成基因在G.superba中的表达

图4.秋水仙碱生物合成途径的发现

图5.动物初级代谢中N-甲酰基秋水仙胺的工程生物合成

总的来说，秋水仙碱生物合成的最终代谢步骤仍需进一步研究。特别是先前的研究已经表明，N-脱甲酰基酶，N-去甲基化酶和N-乙酰基转移酶可能转化成秋水仙碱。阐明这三个最终的生物合成转化，以及早期秋水仙碱生物合成中剩余的未鉴定天然酶，将有助于最终确定对这种生物碱在自然界中如何产生的了解。（文：Caspar）