2019-10-17
文章题目：Tropane alkaloids biosynthesis involves an unusual type Ⅲ polyketide synthase and non-enzymatic condensation
发表期刊：Nature Communications
技术手段：无参转录组测序
影响因子11.878。
派森诺生物与中科院携手合作，于2019年9月在《Nature Communications》上发表了关于托品烷的生物合成途径相关研究成果。
托品烷生物碱（tropane alkaloids）是指一类在结构上含有由吡咯环和哌啶环骈合而成的托品烷基本骨架的生物碱，是一类重要的次生代谢物，具有悠久历史和重要药用价值的植物源天然产物。现存古代医学典籍表明，以托品烷生物碱——莨菪碱和东莨菪碱为药效基础的茄科植物，如曼陀罗（Datura stramonium）和颠茄（Atropa belladonna），已经有近两千年的药用历史。目前，莨菪碱和东莨菪碱是临床上广泛使用的毒蕈碱型乙酰胆碱拮抗剂，用于镇痛、麻醉、止痉挛、抗晕动、帕金森症治疗等，具有很大市场需求。
近百年来的基于同位素标记实验的生物合成研究表明，来源于鸟氨酸的N-甲基吡咯啉阳离子（1）和两分子的乙酰单元构成了托品烷基本骨架。然而一直以来，植物体中催化N-甲基吡咯啉阳离子和乙酰单元缩合形成托品烷生物碱基本骨架的酶学机制还未见报道。托品烷生物碱的生物合成研究被相关的科学家形容为一个世纪难题（Nat Prod Rep 2001, 18, 494）。
中国科学院，以茄科产莨菪碱和东莨菪碱的代表植物——山莨菪属三分三（Anisodus acutangulus）、颠茄属颠茄、曼陀罗属曼陀罗为研究材料，进行转录组测序。测序平台为Illumina Hiseq。
1. 三种茄科植物 Ⅲ型PKS基因的鉴定——转录组测序
莨菪碱和东莨菪碱存在于多种茄科植物中，包括三分三（Anisodus acutangulus）、颠茄属颠茄(A. belladonna)、曼陀罗属曼陀罗(D. stramonium)。构建了这三种植物的毛状根，通过HPLC分析确认了莨菪碱和东莨菪碱的量（图1），并进行转录组测序。针对转录组测序结果，进行转录组种内差异表达和种间同源基因分析，发现了这三个植物中分别有4,5,2个潜在的Ⅲ型聚酮合酶unigene，随后的系统进化树（图2）和氨基酸序列比对表明，三种不同植物的AbPKS2、AaPKS4、AaPKS2、AbPKS3和DsPKS1属于一个分支，其氨基酸序列与文献报道的AbPYKS17一致。
图1 三分三、颠茄属颠茄、曼陀罗属曼陀罗三种植物根毛中的托品烷碱HPLC检测结果
图2 五种潜在的PKS与其他植物细菌中的三型PKS系统进化树
2. 测定潜在 的PYKS的酶活性
为了在功能上明确这些推定的Ⅲ型PKSs，将这5个蛋白分别在大肠杆菌和丙二酰辅酶a中表达(图3)，并在体外分析它们对底物的活性，化学合成1(图4)和丙二酰辅酶a。
图3 SDS-PAGE分析纯化蛋白的体外活性
图4 N -甲基吡咯烷铵阳离子的合成路线
并验证其能催化N-甲基吡咯啉阳离子（1）与丙二酰辅酶A缩合形成托品烷生物碱生物合成的关键中间体2。
3. 蛋白晶体结构的研究
植物型PKSs是一类已知的催化马来酰辅酶a在协同底物上反复脱羧缩合的酶，可与芳香环产生多种天然产物。在本研究中，Ⅲ型PKSs被鉴定为与非共聚系底物1反应生成非芳香产物，这表明Ⅲ型PKS有可能成为一个新的家族。为了了解催化机理的结构基础，我们在2.0处确定了AaPYKS的晶体结构(AaPYKS- cob，表1;PDB ID: 6 j1m)。二聚体AaPYKS-COB的整体结构与先前报道的Ⅲ型PKSs的结构高度同源(图5)。
图5 AaPYKS-COB (PDB ID: 6J1M)和AaPYKS-6 (PDB ID: 6J1N)的晶体结构。
4. 体外酶促反应
体外酶促反应发现这三个 Ⅲ型聚酮合酶利用两分子的丙二酰辅酶A合成了活性的三羰基戊二酸中间体5。该中间体5能与N-甲基吡咯啉阳离子（1）自发的发生Mannich缩合，进而形成托品烷骨架生物合成的消旋中间体2。
该研究不仅解决了托品烷生物碱生物合成中基本骨架形成的机理，回答了长久困扰学术界的一个科学问题，还发现了一类选择性合成三羰基戊二酸的新类型植物 Ⅲ型聚酮合酶，为基于合成生物学的莨菪碱药物的异源生产奠定了基础。100年前Robert Robinson的托品酮（Tropinone）全合成是写入教科书的天然产物全合成的第一个经典案例，长久以来大多科学家坚信该路线是仿生合成。该研究阐释的托品酮生物合成途径与100年前的经典化学合成如出一辙，为100年前Robert Robinson的化学合成是仿生合成提供了直接的证据，这也是一个有趣的巧合。
本研究的转录组测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11987-z
