以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者SCI Shi
2023年1月26日，Science 在线发表了美国斯坦福大学Elizabeth S. Sattely和英国约翰英纳斯中心（JIC）Anne Osbourn联合团队及其合作者题为“Complex scaffold remodeling in plant triterpene biosynthesis”的研究论文。三萜类化合物柠檬苦素被广泛用作生物杀虫剂，但其生物合成途径仍不清楚。该研究发现并鉴定了参与柠檬苦素生物合成的22种酶，它们可催化12种不同酶反应，揭示了柠檬苦素的完整生物合成途径；有助于生产具有应用价值的天然和非天然柠檬苦素。
DOI: 10.1126/science.adf1017
由30碳前体构成的三萜类化合物（triterpenes）广泛存在于植物中，通过剪裁酶的修饰作用，可生成一系列的形状并介导各种生物学功能。其中，柠檬苦素（limonoids）尤其引人注目，它们具有广泛的支架修饰（scaffold modification），从而产生广泛的生物活性和结构多样性。柠檬苦素主要来自于无患子科的芸香科（Rutaceae）和楝科（Meliaceae）；目前已知的柠檬苦素结构达2800多咱，它们都具有标志性的呋喃结构。然而，柠檬苦素或具有广泛支架修饰的三萜类化合物的完整生物合成途径，仍然不清楚；极大地限制了这些化合物的临床应用和生物学研究。
据报道，大约90多种柠檬苦素具有抗昆虫活性，可用作生物杀虫剂；多种柠檬苦素可作用于哺乳动物的受体和信号途径。印苦楝子素（azadirachtin）源自印楝树（Azadirachta indica）， 是生物农药的主要成分；它是一种有效的拒食剂（antifeedant），对超过600种昆虫具有活性。与此类似，其他柠檬苦素，如诺米林（nomilin）和黄柏酮（obacunone）等可在柑橘类植物中高水平积累；这也是造成柑橘类果汁具有“延迟苦味”的部分原因，并导致严重的全球柑橘汁行业经济损失（Figure 1）。
Figure 1. 柠檬苦素的主要结构及其推测的合成途径
迄今为止，柠檬苦素的生物合成仅阐明了从主要代谢物2,3-oxidosqualene到protolimonoid melianol的前三个酶催化步骤（Figure 1）。利用已有数据库和RNA测序，该研究首先在柑橘类植物中确定了一系列与次级代谢相关的候选基因，包括多个预测的CYP、2-ODD和乙酰转移酶。接着，研究人员又在楝科中选择了17个候选基因，以便与柑橘的候选基因一起进行功能性分析（Figure 2）。
Figure 2. 柠檬苦素生物合成候选基因的挖掘
以本氏烟草（N. benthamiana）作为异源表达平台，该研究将上述候选基因进行表达并分析其生物功能。结果显示，CYP88A酶可以melianol作为底物，但所得产物可能不稳定或被本氏烟草的内源性酶进一步修饰了；另外，多个甾醇异构酶SI（sterol isomerase）可作为甲醇氧化物异构酶（MOI），包括CsMOI1, 2, 3 和 MaMOI2，并生成单氧化的甲醇异构物。进一步研究发现，MOI可维持碳正离子中间体的稳定性，并将其异构化为两类柠檬苦素：经典柠檬苦素（classic limonoids），由CsMOI2、CsMOI3和MaMOI2形成C-14/15双键骨架；以及平滑柠檬苦素（glabretal limonoids），由CsMOI1形成环丙烷环骨架（Figure 3）。
Figure 3. MOI的鉴定及其催化功能
通过进一步鉴定催化下游产物的相关基因，该研究发现，L21AT和SDR同源物具有广泛的底物特异性；L21AT可使C-21羟基乙酰化，而SDR则将C-3羟基氧化为原柠檬苦素早期支架上的酮。此外，三种乙酰转移酶（L1AT、L7AT和L21AT）参与了三乙酰化 1,7,21-Oacetyl protolimonid的生物合成。
随着参与乙酰化修饰的酶的鉴定，研究人员最后发现LFS可参与呋喃环的形成，从而完成柠檬苦素azadirone和 kihadalactone A的生物合成（Figure 4）。
Figure 4. azadirone和 kihadalactone A的完整生物合成途径
综上所述，该研究利用系统的转录组和基因组挖掘以及系统发育和同源分析，从柑橘和楝科植物中鉴定一系列柠檬苦素生物合成的候选基因；并通过在本氏烟草中异源表达鉴定出22种酶的催化功能，它们可在azadirone和 kihadalactone A的生物合成过程中催化12种不同的酶反应；揭示了柠檬苦素的完整生物合成途径。这些结果使合成有价值的柠檬苦素成为可能，有助于生产具有应用特性的天然和非天然柠檬苦素；并为发现和重建植物中多重骨架修饰的三萜类化合物的生物合成途径提供了模板。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1017
来源：MP植物科学
转自：“iPlants”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
