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喜树碱（Camptothecin）及其衍生物是一类被广泛用作治疗多种恶性肿瘤的单萜吲哚生物碱，是仅次于紫杉醇的第二代木本类抗肿瘤药物。1966年首次从西南山地特色植物喜树（Camptotheca acuminata）中分离出来。喜树碱通过选择性地与拓扑异构酶I结合并阻止DNA链的重新连接，从而有效抑制肿瘤细胞的增殖。由于具有较高的经济价值和药用价值，喜树碱及其衍生物的生物合成和化学合成途径也成为了近年来研究的热点问题。但由于缺乏高质量的基因组序列，通路相关的候选基因筛选和喜树中喜树碱生物合成通路进化相关的研究受到了一定的限制。
2021年6月10日，四川大学刘建全课题组在Nature Communications杂志在线发表了题为A chromosome-level Camptotheca acuminata genome assembly provides insights into the evolutionary origin of camptothecin biosynthesis的研究成果，揭示了喜树中喜树碱合成通路的进化起源。
研究团队通过PacBio和HiC技术组装注释了高质量染色体级别的喜树基因组，在准确性、连续性和基因注释上均优于先前发表的基于Illumina平台的二代基因组版本。进化分析显示，在与马缨杜鹃分化之后，喜树在约70百万年前经历了一次独立的全基因组复制事件。该全基因组复制和串联重复也是喜树中基因家族扩张的主要原因，其中包括一些与喜树碱合成相关的关键酶编码基因，例如7-脱氧葡萄糖酸 7-羟化酶（7-DLH），断马钱子酸合酶（SLAS）等。
为了进一步研究喜树中喜树碱生物合成通路的进化，研究人员首先基于功能注释和基因家族分析鉴定了更为完整的喜树碱合成相关候选基因集，包括可能与后续合成相关的细胞色素P450（CYP450）酶家族编码基因。与吲哚生物碱合成代表物种长春花（Catharanthus roseus）的生物合成通路相比，两种途径都使用相似的酶生成复杂的中间有机分子，但在生成马钱苷酸（loganic acid）之后，两者出现了分歧。在长春花中，马钱苷酸（loganic acid）首先通过马钱苷酸甲基转移酶（LAMT）转化为马钱苷（loganin），进一步通过断马钱子苷合酶（SLS）生成断马钱子苷（secologanin），而喜树中马钱苷酸（loganic acid）直接被断马钱子酸合酶（SLAS）转化为断马钱子酸（Secologanic acid），出现这种差异的原因可能就是喜树中LAMT和SLAS出现了功能分化。
Comparison of camptothecin and vinblastine/vincristine biosynthesis pathways
为了研究出现这种进化分歧的分子机制，研究人员首先模拟了喜树中CaLAMT的蛋白三维结构，比较发现，CaLAMT中特有的与马钱苷酸结合相关关键位点的突变可能导致其无法稳定的结合底物，酶活实验也表明这些位点的突变会严重影响LAMT的活性。另外，喜树中的两个SLAS在先前研究中被证明同时具有SLS和SLAS的活性，结合与其他物种SLS编码基因的序列比对和选择压力分析结果，研究人员发现，这可能是喜树的SLAS编码基因经历了较强的正选择，导致功能结构域突变的结果，而两个SLAS之间的活性差异可能是由于全基因组复制之后的亚功能化导致的。因此，LAMT的功能差异和SLAS编码基因的正向进化都对喜树中的喜树碱高效生物合成具有很大贡献。
综上所述，该研究揭示了喜树中喜树碱生物合成通路可能的分子进化机制，发现高质量基因组组装在识别新次级代谢物进化起源中的遗传变化具有十分关键的作用。
四川大学生命科学学院康明辉博士为该文第一作者，刘建全教授为通讯作者。张阳、席祯翔等课题组有关人员参与了本项目研究。该研究主要在中国科学院先导计划，国家重点研发计划和国家自然科学基金等资助下完成。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23872-9
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