新研究揭示白僵菌合成β-卡波林糖苷的進化與代謝機制

近日，《美國國家科學院院刊》（PNAS）在線發表了中國科學院分子植物科學**創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菌來源的水平轉移（HGT）基因而合成β-卡波林生物堿及其糖苷的分子機理。

不同原核及真核生物能夠合成結構多樣的β-卡波林生物堿，分別具有重要的生物活性或醫藥價值。真菌來源的β-卡波林生物堿多有報道，但合成機理鮮有解析。不同細菌、植物及動物中鑒定到不同的皮氏反應酶（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。

該研究發現球孢白僵菌基因組中存在一個同海洋細菌PS酶高度同源的HGT基因（命名為Fcs1）。經大腸桿菌和酵母異源表達發現，該基因能夠合成β-卡波林骨架；進一步在球孢白僵菌中過表達Fcs1，產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，多數為新結構化合物。研究將野生菌株與Fcs1過表達菌株進行比較轉錄組分析，獲得多個差異表達的潛在P450基因。酵母表達及基因缺失分析證明，一個CYP684B2家族的基因（命名為Fcs2）可在多位點氧化β-卡波林骨架。同時，研究發現Fcs2的輔因子基因Fcs3。進一步，基因功能驗證表明，一對串聯的糖基-甲基轉移酶基因負責羧基和多位點羥基的糖甲基化修飾，生成不同結構的β-卡波林糖苷（命名為bassicarbosides）。

不同于典型的真菌次級代謝基因成簇的結構特征，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Fcs2具有高度的相似性，表現出圍繞Fcs1基因而成簇的進化特征。此外，分析發現，球孢白僵菌近緣種中Fcs1同源基因不存在時，則其基因組中與Fcs2高度同源的P450不具有氧化活性。分子對接與位點突變證明，不含Fcs1的真菌中，Fcs2同源蛋白存在部分關鍵位點的差異。

該研究豐富了真菌來源的PS酶種類，揭示了關鍵HGT基因的獲得可促進關聯基因的功能性進化，獲得了真菌次級代謝基因簇形成的過渡性證據。研究工作得到國家自然科學基金創新研究群體項目和中國科學院前沿科學重點研究計劃等的支持。

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