Nature子刊 ：中国中医科学院黄璐琦等人发现丹参酮体内合成的关键基因

来源：iNature

丹参酮和化学修饰的衍生物具有广泛的心血管和脑血管保护作用：例如，丹参酮IIA的磺酸钠在临床上广泛用于治疗冠心病患者。它们的药物应用还包括抗氧化剂，抗菌，抗炎，抗肿瘤和抗HIV活性。丹参酮是中药丹参（丹参）的生物活性非二萜类成分。这些化学物质具有特征性的呋喃D环，可将它们与常见于唇形科的酚类Abietane型二萜类化合物区分开。然而，尚未阐明如何形成14，16-环氧。

2021年1月29日，中国中医科学院黄璐琦，崔光红，郭娟及中国科学院植物研究所漆小泉共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Expansion within the CYP71D subfamily drives the heterocyclization of tanshinones synthesis in Salvia miltiorrhiza”的研究论文，该研究使用高度纯合的基因型，改善了丹参的基因组装配。

该研究通过基因扩增分析鉴定了细胞色素P450（CYP71D）串联基因阵列。该研究显示CYP71D373和CYP71D375催化在碳16（C16）和14,16-醚（杂）环化上形成D环的羟基化，而CYP71D411则在C20上催化上游羟基化。此外，该研究发现了与丹参酮生产相关的大型生物合成基因簇。共线性分析表明丹参属丹参酮的更具体来源。

丹参（Salvia miltiorrhiza）是最古老，最重要的传统中草药之一。丹参酮是非二萜类化合物，形成丹参的亲脂性生物活性成分。更具体地说，它们是酚类安息香类二萜类化合物，广泛存在于唇形科。丹参酮的独特之处在于存在14,16-醚D环，例如隐丹参酮和15,16-二氢丹参酮。然而，如在丹参酮I和丹参酮IIA中发现的，该杂环通常被进一步氧化以形成呋喃。丹参酮和化学修饰的衍生物具有广泛的心血管和脑血管保护作用：例如，丹参酮IIA的磺酸钠在临床上广泛用于治疗冠心病患者。它们的药物应用还包括抗氧化剂，抗菌，抗炎，抗肿瘤和抗HIV活性。结构-活性关系分析表明，呋喃或二氢呋喃环的D结构影响药理活性，从而突出了D环形成的重要性。

由于其药用特性，丹参酮的生物合成已被广泛研究了十多年。作为二萜类化合物，丹参酮的生物合成是由II类二萜环化酶引发的，主要是labdadienyl/戊基二磷酸合酶SmCPS1，随后由I类二萜合酶SmKSL1催化进一步环化和重排，产生了abietane miltiradiene。还确定了三种相关的细胞色素P450（CYP），即CYP76AH1，CYP76AH3和CYP76AK1，它们分别催化碳12（C12）处的羟基化，然后催化生成的铁氨酚的C11羟基化，最后是C20羟基化。这些CYP的混杂表明丹参酮的生物合成可能通过代谢网络进行。

尽管CYP具有典型的催化羟基化作用，但这些单加氧酶能够介导更复杂的转化。其中，由于这些结构特征对生物活性的贡献，环状醚的形成是重要的。例如，在此特别感兴趣的是特征性呋喃D环的形成，其目的是产生临床相关的丹参酮IIA磺化衍生物。然而，丹参中这种关键的区别杂环的生物合成起源仍是未知的。

预计该环醚的形成将被CYP催化。但是，CYP构成了植物中最大的酶家族，约占所有植物基因的1％。不足为奇的是，仅基于系统发生关系，CYP的绝对数量及其所起作用的植物代谢的多样性使CYP变得复杂。例如，CYP71D亚家族的成员在吲哚生物碱和类黄酮以及萜类生物合成中起作用。因此，CYP很容易经历甚至基本代谢功能的衍生，进一步增加了鉴定超家族相关成员的难度。

在这里，该研究组装了bh2-7系的基因组，该基因组是从S. miltiorrhiza var衍生而来，并连续六代自交繁殖近乎完全纯合。基因组分析显示CYP71D亚家族的扩展。该研究确定三种CYP71Ds在催化反应中导致特征性呋喃酮的呋喃D环形成的可能作用。此外，该研究讨论了丹参酮生物合成的进化起源。