新研究揭示白僵菌合成β-卡波林糖苷的進(jìn)化與代謝機(jī)制

近日，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)**創(chuàng)新中心王成樹研究組完成的題為A bacterial-like Pictet-Spenglerase drives the evolution of fungi to produce β-carboline glycosides together with separate genes的研究論文。該研究揭示了昆蟲病原真菌球孢白僵菌獲得細(xì)菌來源的水平轉(zhuǎn)移（HGT）基因而合成β-卡波林生物堿及其糖苷的分子機(jī)理。

不同原核及真核生物能夠合成結(jié)構(gòu)多樣的β-卡波林生物堿，分別具有重要的生物活性或醫(yī)藥價(jià)值。真菌來源的β-卡波林生物堿多有報(bào)道，但合成機(jī)理鮮有解析。不同細(xì)菌、植物及動(dòng)物中鑒定到不同的皮氏反應(yīng)酶（Pictet-Spenglerase，PS），可以色氨酸為底物合成β-卡波林骨架，而真菌來源的PS酶多不清楚。

該研究發(fā)現(xiàn)球孢白僵菌基因組中存在一個(gè)同海洋細(xì)菌PS酶高度同源的HGT基因（命名為Fcs1）。經(jīng)大腸桿菌和酵母異源表達(dá)發(fā)現(xiàn)，該基因能夠合成β-卡波林骨架；進(jìn)一步在球孢白僵菌中過表達(dá)Fcs1，產(chǎn)物分離純化與鑒定獲得了系列β-卡波林生物堿及其糖苷化合物，多數(shù)為新結(jié)構(gòu)化合物。研究將野生菌株與Fcs1過表達(dá)菌株進(jìn)行比較轉(zhuǎn)錄組分析，獲得多個(gè)差異表達(dá)的潛在P450基因。酵母表達(dá)及基因缺失分析證明，一個(gè)CYP684B2家族的基因（命名為Fcs2）可在多位點(diǎn)氧化β-卡波林骨架。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)Fcs2的輔因子基因Fcs3。進(jìn)一步，基因功能驗(yàn)證表明，一對(duì)串聯(lián)的糖基-甲基轉(zhuǎn)移酶基因負(fù)責(zé)羧基和多位點(diǎn)羥基的糖甲基化修飾，生成不同結(jié)構(gòu)的β-卡波林糖苷（命名為bassicarbosides）。

不同于典型的真菌次級(jí)代謝基因成簇的結(jié)構(gòu)特征，本研究鑒定的不同功能基因位于球白僵菌的不同染色體上，Fcs1相鄰的CYP684A2家族基因雖不具有氧化β-卡波林骨架的活性，但同F(xiàn)cs2具有高度的相似性，表現(xiàn)出圍繞Fcs1基因而成簇的進(jìn)化特征。此外，分析發(fā)現(xiàn)，球孢白僵菌近緣種中Fcs1同源基因不存在時(shí)，則其基因組中與Fcs2高度同源的P450不具有氧化活性。分子對(duì)接與位點(diǎn)突變證明，不含F(xiàn)cs1的真菌中，F(xiàn)cs2同源蛋白存在部分關(guān)鍵位點(diǎn)的差異。

該研究豐富了真菌來源的PS酶種類，揭示了關(guān)鍵HGT基因的獲得可促進(jìn)關(guān)聯(lián)基因的功能性進(jìn)化，獲得了真菌次級(jí)代謝基因簇形成的過渡性證據(jù)。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃等的支持。

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