近日，廣州中醫(yī)藥大學(xué)嶺南中藥資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室詹若挺研究員團(tuán)隊(duì)在國際著名植物學(xué)期刊The Plant Journal上在線發(fā)表了題為“Nudix hydrolase WvNUDX24 is involved in borneol biosynthesis in Wurfbainia villosa”的研究論文，揭示陽春砂中Nudix水解酶WvNUDX24參與龍腦的生物合成。陽春砂是我國“四大南藥”之一，具有化濕開胃、溫脾止瀉和理氣安胎的功效，臨床上主要用于治療胃腸道疾病。陽春砂主要含有揮發(fā)油、黃酮類和多糖類等生物活性成分，其中揮發(fā)油為質(zhì)控成分，主要包括乙酸龍腦酯、樟腦、龍腦、莰烯和檸檬烯等揮發(fā)性萜類。
廣州中醫(yī)藥大學(xué)嶺南中藥資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室詹若挺研究員團(tuán)隊(duì)前期解析了陽春砂基因組，并對18個WvTPS的功能進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)催化單萜通用前體GPP環(huán)化生成BPP的關(guān)鍵酶WvBPPS（Frontiers in plant science, 2018; The plant journal, 2022）。同時，還解析了海南砂基因組，并對17個WlTPS的功能進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)WlBPPS和WvBPPS表達(dá)水平的差異和BPPS串聯(lián)重復(fù)基因簇的功能分化是導(dǎo)致陽春砂和海南砂中主要揮發(fā)性萜類差異的重要原因（Frontiers in plant science, 2021; Plant physiology, 2023）。此外，基于陽春砂基因組數(shù)據(jù)，鑒定了催化龍腦乙?；梢宜猃埬X酯的關(guān)鍵酶WvBAT3和WvBAT4（Frontiers in plant science, 2022），以及鑒定了催化龍腦脫氫生成樟腦的關(guān)鍵酶WvBDH2（Plant, 2023），基本完全解析了陽春砂中主要揮發(fā)性萜類的生物合成途徑。然而，目前在多種植物中鑒定了催化GPP環(huán)化生成BPP的關(guān)鍵酶BPPS，僅在1979年報道利用撒爾維亞粗蛋白催化BPP水解生成龍腦，但催化BPP水解的酶基因還未被鑒定。
根據(jù)玫瑰Nudix水解酶RhNUDX1能夠水解GPP生成GP，然后在非特異磷酸酶作用下水解GP生成香葉醇，由于BPP和GPP都屬于單萜二磷酸，推測Nudix水解酶可能參與BPP的水解。該研究基于陽春砂基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)鑒定陽春砂中34個Nudix水解酶基因家族成員，并通過系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和轉(zhuǎn)錄組表達(dá)模式篩選可能參與BPP水解的候選WvNUDXs。體外酶活性測定表明7個候選WvNUDXs中WvNUDX20和WvNUDX24能夠催化BPP水解生成BP，且能夠催化GPP水解的RhNUDX1和AtNUDX1也能水解BPP生成BP。進(jìn)一步相對活性比較、酶動力學(xué)和煙草瞬時表達(dá)實(shí)驗(yàn)表明WvNUDX24能夠特異和高效的催化BPP水解生成BP，從而參與龍腦的生物合成。亞細(xì)胞定位實(shí)驗(yàn)表明WvNUDX24主要定位于細(xì)胞質(zhì)，推測BPP在質(zhì)體合成后轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中再發(fā)生水解。綜合分子對接、分子動力學(xué)模擬和定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)四個關(guān)鍵氨基酸殘基（R84、S96、P98和G99）對WvNUDX24的水解活性至關(guān)重要。此外，磷脂酸磷酸脂酶（Phosphatidic acid phosphatase，PAP）體外功能鑒定表明WvPAP5和WvPAP10能夠催化GGPP和FPP生成單磷酸產(chǎn)物，但不能水解GPP、BPP和NPP。
綜上，該研究證實(shí)BPP水解生成龍腦是分兩步進(jìn)行，即BPP→BP→龍腦，并發(fā)現(xiàn)催化BPP水解生成BP的關(guān)鍵酶WvNUDX24，而BP水解生成龍腦可能由非特異性磷酸酶催化（還有待進(jìn)一步研究），可為未來通過植物代謝工程和合成生物學(xué)生產(chǎn)BPP相關(guān)萜類（龍腦、乙酸龍腦酯和樟腦）提供關(guān)鍵的基因元件。
圖：陽春砂中BPP相關(guān)萜類的生物合成途徑
廣州中醫(yī)藥大學(xué)博士生楊鵬為該論文第一作者，廣州中醫(yī)藥大學(xué)馬東明研究員、楊錦芬研究員和詹若挺研究員為該論文的通訊作者。湖南醫(yī)藥學(xué)院黃雪霜教授和廣州中醫(yī)藥大學(xué)碩士生陳遠(yuǎn)霞和王甜甜也參與了該項(xiàng)研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項(xiàng)和中藥合成生物學(xué)研究湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.16669
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