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前沿 | 安捷倫質譜助力解析穿心蓮內酯完整合成通路
2025 年 5 月 14 日，中國中醫科學院中藥研究所孫偉團隊、中國醫學科學院藥物研究所賈美榮團隊與成都中醫藥大學本草基因組學研究院陳士林院士團隊在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，影響因子 16.6）在線發表題為“Completing the Biosynthesis of the Clinically Important Diterpenoid Andrographolide in Andrographis paniculata”的研究論文。該研究通過多組學聯合分析（基因組-轉錄組-代謝組），結合本氏煙草（Nicotiana benthamiana）瞬時表達系統及酵母微粒體體外催化實驗，成功從穿心蓮中鑒定出 4 個參與生物合成的細胞色素 P450 酶（CYP450s），首次完整解析了穿心蓮內酯的生物合成途徑，并實現該藥物在煙草體系中的異源合成。
研究背景
穿心蓮內酯（andrographolide）是從爵床科植物穿心蓮（Andrographis paniculata）中提取的 ent- 半日花烷型二萜類單體化合物，具有顯著的抗炎活性，其工業化生產目前仍完全依賴植物提取。雖然穿心蓮內酯的二萜骨架 ent-copalyl diphosphate（ent-CPP）已實現生物合成，但其后續的氧化修飾機制長期未被闡明。
研究結果
團隊前期研究表明，穿心蓮內酯的生物合成受到茉莉酸甲酯（MeJA）的誘導。茉莉酸甲酯處理條件下，骨架合成基因 ApCPS2 表達模式和穿心蓮內酯積累模式一致。通過將茉莉酸甲酯處理后基因組注釋的 CYP450s 基因和 ApCPS2 進行相關性分析，在 r>0.85 閾值下篩選到 20 個與 ApCPS2 表達高度相關的 CYP450 候選基因（圖 1）。
圖 1. A 穿心蓮植物照片 B.MeJA 處理后穿心蓮幼苗中代謝物分析。C. 生物合成途徑示意圖。D. 穿心蓮注釋 CYP450s 和 ApCPS2 表達水平之間的 Pearson 相關系數（r>0.85）。
將候選 CYP450s 逐一與 ent-copalol 合成基因（AstHMGR，AgGGPPS 和 ZmCPS2）在煙草中進行瞬時表達發現，僅有 ApCYP71D587 和 ApCYP71BE50 可催化 ent-copalol 產生新化合物。通過分離純化確認 ApCYP71D587 催化 ent-copalol 形成 19-hydroxy-ent-copalol；ApCYP71BE50 催化 ent-copalol 生成了主產物 ent-15，16-epoxy-labda-8（17），13（14）-diene、ent-15，16-epoxy-labda-8（17），13（16），14-triene 以及副產物 19-dehydroxy-andrograpanin（圖 3）；考慮到 ApCYP71BE50 能夠催化 ent-copalol 形成內酯環，研究人員將 ApCYP71D587、ApCYP71BE50 以及 ent-copalol 合成基因在煙草中進行了共注射，確認在煙草中生成了合成路徑中的關鍵中間體—新穿心蓮內酯苷元（andrograpanin）（圖 2）。
圖 2. 穿心蓮內酯合成示意圖
隨后，以新穿心蓮內酯苷元作為底物對其余 CYP450s 進行功能驗證發現，ApCYP706U5 催化新穿心蓮內酯苷元生成 14-deoxyandrographolide；ApCYP72F1 可催化新穿心蓮內酯苷元生成 3-dehydroxy-andrographoide（圖 3）。進一步將 ApCYP706U5 和 ApCYP72F1 與新穿心蓮內酯苷元合成基因在煙草葉片共表達后觀察到了穿心蓮內酯（andrographoide）的生成（圖 2）。
圖 3. 藥用植物穿心蓮中穿心蓮內酯生物合成推測路徑
研究結論
利用安捷倫的氣質和液質產品，研究人員在酵母微粒體催化實驗中進一步驗證了上述 P450 的催化功能。同時，利用煙草瞬時轉化進一步驗證了上述四個 P450 對不同底物的催化功能，提出了穿心蓮內酯在藥用植物穿心蓮中可能存在生物合成路徑（圖 3）。該研究成果為理解二萜類次生代謝產物的生物合成、穿心蓮內酯及其衍生物的異源生物制造和穿心蓮新品種培育奠定了基礎。
專家團隊
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中國中醫科學院中藥所道地藥材品質保障與資源持續利用全國重點實驗室孫偉研究員、協和醫學院藥物所賈美榮研究員、成都中醫藥大學陳士林院士為該論文的通訊作者。本草基因組學團隊負責人陳士林院士 2022 年組織發布了千種本草基因組研究計劃，在《創新》（The Innovation）、《自然-植物》（Nature Plants）、《分子植物》（Molecular Plant）、《自然-通訊》（Nature Communications）等國際著名刊物發表了一系列的草藥基因組學研究成果，極大地推動了學術界從分子遺傳學層面理解中草藥中有效成分的合成、轉運、積累和調控，助力天然產物藥物的綠色生物合成以及高含量藥效成分品種的精準選育。該研究得到了安捷倫科技公司提供全程質譜儀器（GC/Q-TOF、LC/Q-TOF）和技術支持。
參考文獻
[1] Sun W, Wang S, Liang M, et al. Completing the Biosynthesis of the Clinically Important Diterpenoid Andrographolide in Andrographis paniculata[J]. Angewandte Chemie, e202425303.