Advanced Science | 东北林业大学徐志超课题组揭示防己科苄基异喹啉生物碱结构多样性形成新机制

近日，东北林业大学徐志超课题组在国际知名期刊Advanced Science（中科院一区，IF：15.1）在线发表了题为Lineage-specific CYP80 Expansion and Benzylisoquinoline Alkaloid Diversity in Early-diverging Eudicots的研究论文。基于本草基因组学研究策略，报道了催化青藤碱等苄基异喹啉生物碱（Benzylisoquinoline Alkaloid, BIAs）生物合成骨架形成的新颖酶，发现种系特异的CYP80基因扩张及新功能化驱动了防己科物种苄基异喹啉生物碱（Benzylisoquinoline Alkaloid, BIAs）结构多样性，为BIAs药用活性物质的绿色合成及药物开发提供支撑。

BIAs结构类型多样，药用价值高，如镇痛药物吗啡因、抗菌药物小檗碱等，也是重要的林源活性物质，广泛分布在双子叶植物的早期分化类群及木兰类中。近年来，陈士林院士团队相继完成毛茛科黄连（Liu et al., Nature Communications, 2021）、罂粟科毛黄堇（Xu et al., Plant Journal, 2022）、防己科千金藤属（Leng et al., Nature Communications, 2024）等物种中BIAs的代谢合成、起源进化及抗病毒活性等研究。然而，多数BIAs结构多样性形成及修饰的关键酶仍然未知，如防己科物种积累的双苄基异喹啉（千金藤素，抗病毒）、吗啡烷类（青藤碱，抗风湿）等，其结构多样性形成及进化的分子机制尚不明确。

研究团队以防己科中药北豆根（Menispermum dauricum）为研究对象，破译其高质量基因组，追溯其物种进化、全基因组复制事件及染色体进化历程，提出“北豆根基因组可作为研究双子叶植物进化的理想模型”；研究人员进一步通过代谢组追踪了北豆根不同部位BIAs的结构类型差异；通过比较基因组发现防己科物种CYP80基因的显著扩张，该基因家族扩张及组织特异性表达驱动了BIAs不同结构类型的多样性。重要的是，创新性发现了催化牛心果碱发生C2'-C4a酚耦合反应生成清风藤碱（多花罂粟碱的对映异构体）的新颖酶MdCYP80G10，该酶具有严格的立体选择性，特异性识别（S）型牛心果碱。本研究为“基因组进化驱动植物代谢多样性形成”理论提供新的范例。

图1 CYP80基因扩张和组织特异性表达驱动了防己科BIA结构类型的多样性

该研究由东北林业大学联合成都中医药大学、中国中医科学院中药研究所、北京化工大学等单位联合攻关完成。东北林业大学安周捷、中国中医科学院中药研究所高冉冉、中国中医科学院中药研究所陈姗姗、东北林业大学生命科学学院田亚为论文的共同第一作者。东北林业大学徐志超教授、成都中医药大学陈士林院士、中国中医科学院中药研究所孙伟研究员、北京化工大学范华昊教授、中国中医科学院中药研究所高冉冉博士为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划青年科学家、国家自然科学基金面上等项目支持。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309990