以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Haixiu Li
癌症严重危害人类的生命健康，致死率极高。2020年中国占全球新发癌症病例的24%，占全球癌症死亡病例的30%。抗癌药的研究日益迫切，近年来，中药提取的抗癌有效成分逐渐被重视。从中药中筛选出的抗癌药，其药效远高于化学合成药且毒副作用较小。目前植物来源的抗癌药物有长春花碱和紫杉醇，而更多的抗癌中药亟待开发。
半枝莲（Scutellaria barbata D. Don），为唇形科黄芩属多年生植物，半枝莲全草是中医处方中的常用药，2020版《中国药典》记载半枝莲“清热解毒，化瘀利尿。用于疔疮肿毒，咽喉肿痛，跌扑伤痛，水肿，黄疸，蛇虫咬伤”。《中药大辞典》、《中华肿瘤治疗大成》记载半枝莲具有治疗肝癌、肺癌、乳腺癌、结肠癌的功效。因此，解析半枝莲抗癌物质的代谢途径，挖掘代谢关键基因，对于抗癌药的生物合成及开发具有重要的应用价值和市场前景。
半枝莲克罗烷型二萜类化合物具有抗癌的功效，如Scutebarbatine G、Scutebarbatine H、Scutebarbatine I、Scutebarbatine J和Scutebarbatine O对HONE-1（人鼻咽癌细胞细胞系）、KB（口腔癌细胞系）、HT29（结肠癌细胞系）具有明显的抑制作用，Scutebarbatine A对乳腺癌耐药细胞（MCF-7/ADR）和小胶质细胞（BV2）有比较好的抑制作用（图1）。半枝莲体内有127种克罗烷型二萜类化合物，它们具有相同的克罗烷骨架（clerodane skeleton；图1，A）。有趣的是，黄芩属植物黄芩（Scutellaria baicalensis）中仅鉴定到一种克罗烷型二萜类化合物（图1，O）。
图1. 黄芩属植物中结构各异的克罗烷型二萜类化合物
2023年1月 11日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心Evangelos Tatsis课题组与英国约翰英纳斯（JIC）Cathie Martin课题组合作在国际学术期刊Molecular Plant在线发表了题为The genomes of medicinal skullcaps reveal the polyphyletic origins of clerodane diterpene biosynthesis in the family Lamiaceae的论文。该工作首次解析了参与半枝莲抗癌物质克罗烷型二萜代谢途径的I型二萜合酶，并设计体内、体外酶活实验结合半枝莲和烟草叶绿体实验，证明叶绿体内的磷酸酶并不参与克罗烷型二萜类化合物代谢途径（在此之前有科学家认为磷酸酶可能参与此代谢途径），并且揭示唇形科黄芩属和鼠尾草属克罗烷型I型二萜合酶存在多起源途径，而克罗烷II型二萜合酶貌似单起源实则不然，为解析克罗烷型二萜代谢途径的下游步骤提供基础。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.006
此前科学家在唇形目物种鉴定到克罗烷型二萜类化合物代谢途径的II型二萜合酶，如ArTPS2、SdKPS、VacTPS5、TwTPS14，但未发现相应的I型二萜合酶，限制了对克罗烷型二萜类化合物代谢途径的解析。克罗烷型二萜类化合物来源于共同的前体物质：牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP, Geranylgeranyl pyrophosphate），GGPP可以在细胞的叶绿体（MEP途径）和细胞质（MVA途径）中合成。二萜合酶（diTPS, diterpene synthase）通过催化GGPP产生二萜。二萜合酶包括II型二萜合酶（具DXDD基序）和I型二萜合酶（具DDXXD基序）。本课题组通过对半枝莲进行基因组（图2）及转录组测序，筛选到候选二萜合酶。
图2. 半枝莲基因组组装草图
通过烟草瞬时转化实验和酶活实验，我们分别找到了半枝莲、黄芩和一串红中参与克罗烷型二萜途径的II型二萜合酶和I型二萜合酶基因（图3）。
图3. 半枝莲、黄芩和一串红中克罗烷型二萜类化合物代谢途径二萜合酶的功能鉴定
该研究进一步发现，克罗烷II型二萜合酶起源于赤霉素途径的ent-柯巴基焦磷酸合酶（ent-CPS），克罗烷II型二萜合酶看似单起源，然而通过物种进化树分析，隶属于鼠尾草属、分化时间较早的Salvia officinalis (药用鼠尾草)的同源基因具有的是ent-CPS功能，而隶属于鼠尾草属、分化时间较晚的Salvia splendens（一串红）的同源基因具有克罗烷II型二萜合酶功能，这种功能并非由共同祖先遗传获得，更可能是在鼠尾草属独立演化的（图4）。
图4. 唇形目II型二萜合酶的进化及同线性分析揭示唇形科克罗烷II型二萜合酶的进化关系
对于克罗烷I型二萜合酶而言，黄芩属的克罗烷I型二萜合酶处于同一分支；而鼠尾草属的克罗烷I型二萜合酶分别来自不同的分支：有具有特异性功能的（SspdiTPS1.5），有从其它途径招募而来的如来自赤霉素途径的I型二萜合酶（SspdiTPS1.1和SspdiTPS1.2）和来自铁锈醇途径的I型二萜合酶（SspdiTPS1.3），它们均具有克罗烷I型二萜合酶的功能。基于以上结果，我们认为克罗烷I型二萜合酶在黄芩属和鼠尾草属中存在多起源途径。
图5. I型二萜合酶的进化树分析
Evangelos Tatsis课题组助理研究员李海修、博士生吴松和Cathie Martin课题组博士生林若曦为该论文的共同第一作者，Evangelos Tatsis和Cathie Martin为论文的共同通讯作者。该工作得到了希腊研究与技术中心-应用生物科学研究所A. M. Makris教授、爱荷华州立大学R. Peters教授、英国约翰英纳斯中心R. Hughes和M. Franceschetti博士、中科院分子植物科学卓越创新中心陈晓亚院士、王勇研究员、李辰意博士的帮助；此外，该研究工作得到中心代谢平台胡文利、徐晓燕和王姗姗的帮助。研究项目获得了牛顿高级学者基金、英国生物技术和生物科学研究委员会、中国科学院先导项目、上海市科学技术委员会、中心引进人才项目、博士后国际交流项目基金的资助。
Evangelos Tatsis研究组信息：
Evangelos Tatsis 研究组隶属于中国科学院（CAS）与约翰英纳斯中心（JIC）合作建立的植物和微生物科学联合研究中心（CEPAMS），主要研究方向是探究植物如何产生天然产物，阐明、理解和设计药用植物中天然产物生物合成的代谢途径。为了实现这些重要目标，我们采用基于基因组资源的方法，利用生物信息学、分子生物学和酶学技术以及合成生物学进行研究。欢迎有全合成、天然产物化学、合成生物学、结构生物学和植物学背景的学生、科研助理和博士后申请从事植物天然产物的生物合成工作。
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