【Nature Plants】大麻素不再是大麻的专属！研究发现蜡菊中也有大麻素合成途径

2023年5月1日，Nature Plants杂志在线发表了来自以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所和德国马普研究所合作发表了题为“Parallel evolution of cannabinoid biosynthesis”的研究论文，该研究在南非植物蜡菊中发现了大麻素生物合成独立进化的证据。这一发现为后期合成生物学提供了一组替代酶。

植物生物学家长期以来一直想知道为什么植物会产生各种各样的化合物，以及为什么化学特征在所有分类水平上都存在巨大差异。从进化的角度来看，相同或相似的代谢物在植物家族中的分散分布提出了一些关键问题。也就是说，导致这些代谢物的生物合成途径是否是古代衍生的，并且在各种谱系中多次丢失，或者生物合成途径是否是趋同进化的产物，这意味着特定的化合物类别已成为数千年来不同植物家族面临的进化压力的解决方案. 该研究深入研究大麻素生物合成的共同进化过程。

大麻，是一种众所周知的植物，可生产多种大麻素，包括四氢大麻酚（THC）和大麻二酚（CBD）。四氢大麻酚是导致与大麻使用相关的 “高” 的主要精神活性化合物，而CBD具有多种治疗作用，包括抗炎、镇痛和抗焦虑特性。另一方面，蜡菊也被称为“Keeribos”，尽管与大麻关系遥远，但也生产大麻素，包括大麻酚（CBG）和大麻酚（CBGA）。虽然这两种植物都使用腺毛来储存生物活性化合物，但Keeribos中的大多数活性化合物都存在于叶子上，而大麻中积累最多的是花朵。

几十年来，大麻素在植物王国中的出现一直是一个谜，只有少数物种能够产生这些有价值的化合物。大麻长期以来一直被认为是大麻素的主要来源，该研究表明趋同进化导致大麻素在一种原产于非洲南部的开花植物蜡菊中独立出现。大麻素生物合成的这种融合可以通过植物对食草动物和环境压力源防御的共同需求来解释。

图1. 大麻和蜡菊之间大麻素生物合成的趋同进化。

两种植物物种中大麻素的生物合成涉及相似的生化步骤，尽管每个步骤中涉及的特定酶通常是重复进化的产物（在不同时间从相似的酶家族成员中招募）。在这两种植物中，大麻素的生物合成始于酰基辅酶A硫酯的生产。虽然酰基活化酶（AAE）的超家族参与这两个物种，并且C. sativa和H. umbraculigerum共享同一分支的AAE以合成小酰基辅酶As，但HuCoAT6对Keeribos谱系具有特异性，属于长链酰基辅酶A合成酶的一个独立分支，为该途径的独立进化提供了证据。

生物合成途径的下一步是通过橄榄酸合酶（OLS）形成橄榄酸（OA）。在大麻中，需要两种酶相互作用才能形成OA。即聚酮合酶CsOLS和辅助蛋白（CsOAC）偶联以分别进行缩合和环化反应。这项研究测试了H. umbraculigerum中的几种聚酮合酶，并且一个子集制造了中间橄榄醇。此外，该研究找不到任何能够产生OA的同源OAC候选物的组合。很明显，要么涉及尚未发现的OAC，要么在Keeribos中招募了无关的新功能化环化酶。

接下来，OA通过CBG合酶转化为大麻酸（CBGA）。CBGA是其他几种大麻素的前体，包括大麻中的THC和CBD以及蜡菊中的CBG。再一次，伞形H. umbraculigerum中的异戊烯基转移酶与CBG合酶进行类似的生化反应，不是直系同源的，很可能是独立进化过程的产物。有趣的是，虽然大麻通过一系列酶促反应产生四氢大麻酚和CBD，但蜡菊产生CBG作为其主要大麻素。

虽然在目前的研究中，两个物种之间途径发育的趋同是显而易见的，但该研究也提供了关于两个植物家族之间大麻素差异的证据。具体来说，他们鉴定了许多修饰Keeribos中基本CBG结构的修饰酶。这些修饰包括糖基化和酰化，可能会影响储存、稳定性和运输。这些不同的结构为化学溶液的演变提供了证据，以应对施加在两种植物谱系上的不同生态压力。

几个世纪以来，植物来源代谢物的多样性因其药用、工业和化妆品特性而被人类利用。数以千计的化合物可能仍有待从植物中发现，因为其中只有一小部分经过任何类型的详细分析。提高我们对植物如何产生大量生物活性化合物的理解只会增加化学家和植物科学家可用的合成生物学工具，以提高这些有价值的天然产物的生产或开发和修改它们以增强其效力或生理有效性。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01415-y

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01402-3

转自：“iPlants”微信公众号

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