Функциональное расхождение CYP76AK формирует хеморазнообразие абиетана

Mar 28, 2024

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4696 (2023) Цитировать эту статью

42 доступа

Подробности о метриках

Род Salvia L. (Lamiaceae) включает множество различных лекарственных трав, одной из основных активных химических групп которых являются терпеноиды. Дитерпеноиды абиетанового типа (АТД), такие как таншиноны и карнозиновые кислоты, специфичны для Salvia и демонстрируют таксономическое химическое разнообразие среди линий. Чтобы выяснить, как развивалось химическое разнообразие ATD, мы провели крупномасштабный метаболический и филогенетический анализ 71 вида Salvia, в сочетании с функцией ферментов, реконструкцией наследственной последовательности и химических признаков, а также экспериментами по сравнительной геномике. Этот комплексный подход показал, что разнообразие ATD по всей линии у Salvia было вызвано различиями в окислении терпеноидного скелета в C-20, что было вызвано функциональным отличием подсемейства цитохрома P450 CYP76AK. Эти результаты представляют собой уникальную картину химического разнообразия растений, которая была сформирована потерей активности ферментов и связанных с ней каталитических путей.

Натуральные продукты растительного происхождения являются ценным ресурсом для фармакологических исследований и разработки продуктов, полезных для здоровья, а их структурное разнообразие связано с различной биологической активностью1. И Таксол, дитерпеноидный алкалоид, полученный из Taxus chinensis (Pilg.) Rehder, и Артемизинин, сесквитерпеноид, полученный из Artemisia annua L., получили большое внимание во всем мире из-за их исключительных противораковых и противомалярийных эффектов соответственно2,3. Из-за высокого спроса на натуральные продукты подходы к получению конкретных соединений с помощью метаболической инженерии стали основной тенденцией, что требует выяснения путей биосинтеза и идентификации ключевых генов, участвующих в этих путях.

Большинство натуральных продуктов, полученных из растений, представляют собой специализированные метаболиты. Однако выяснение пути биосинтеза ограничено, если этот путь сложен и включает несколько этапов, что затрудняет идентификацию соответствующих генов4. В целом появление специализированных метаболитов растений представляет собой развитый защитный механизм, который защищает растения от шквала биотических и абиотических стрессов, при этом химическое разнообразие отражается в разнообразии их скелетов и химических модификаций5. В целом сходные скелеты образуются в результате сходных путей биосинтеза внутри гомологичных растений. Однако природные продукты на основе одних и тех же скелетов с различными химическими модификациями (например, гликозилированием, метилированием, гидроксилированием, ацилированием, пренилированием) разнообразны внутри видов. Такие структурные модификации играют важную роль в том, как растения реагируют на изменения внешней среды для своего роста и развития6.

Учитывая быстрый прогресс в последних технологиях омики, теперь можно проследить эволюционное происхождение, распределение и состав метаболитов в масштабе линии7 и пролить свет на их древние или новые функции, а также на возникновение и распространение путей их биосинтеза в течение длительного времени. time8 Например, проект «Геном растения мяты» внес значительный вклад в этом отношении, исследуя закономерности распределения летучих терпеноидов в семействе Lamiaceae9 и исследуя излучение иридоидного пути в различных линиях10. Они также позволили понять механизмы утраты и последующей реэволюции биосинтеза непеталактона в линии Nepeta11. Другим весьма показательным примером является происхождение морфинана из рода Papaver (Papaveraceae). Отслеживая события слияния гена STORR среди геномов Papaver, а также коррелирующие полногеномные дупликации (WGD), хромосомные перестройки и эволюцию субгеномов12,13,14, была продемонстрирована инновация этого специализированного метаболита. Поэтому установление генетического механизма формирования разнообразия природных продуктов между видами имеет большое значение для понимания путей, обеспечивающих синтетические элементы для метаболической инженерии и молекулярной селекции.