11月25日，上海大學生命科學學院在The Plant Journal在線發表了題為“22R- but not 22S-hydroxycholesterol is recruited for diosgenin biosynthesis

”的研究論文，該論文結合比較轉錄組學與傳統生物化學分析的研究技術手段，發現了單子葉與雙子葉植物分别進化出了兩套不同的酶體系合成薯蓣皂素，而且無論是單子葉還是雙子葉植物，薯蓣皂素的合成均起源于22R-hydroxycholesterol,而并非前人所報道的22S-hydroxycholesterol(Weng et al., Nature Communications,2019,10(1):3206)。

薯蓣皂素是世界上200多種甾體激素類藥物的前體物質，中國是薯蓣皂素主要出口國，單子葉薯蓣科植物為薯蓣皂素的主要藥源植物。薯蓣皂素在植物體内幾乎100%以糖苷形式存在，利用植物材料直接提取制備薯蓣皂素通常消耗大量的酸性溶劑，從而會産生嚴重的酸污染。自國家十三五規劃以來，研發薯蓣皂素的新型制備技術已迫在眉睫，其中包括合成生物學技術的探索。薯蓣皂素在植物體内的生物合成機制尚不清晰，非常有意思的是薯蓣皂素的合成并不具有物種特異性，甚至在跨科的幾種單子葉以及雙子葉植物均有合成。單子葉與雙子葉之間是否由共同的酶系主導薯蓣皂素的合成尚不明确。

為解答上述科學問題，上海大學生命科學學院“藥用植物功能基因課題組”利用盾葉薯蓣（單子葉）以及葫蘆巴（雙子葉）兩種代表植物為研究材料，通過比較轉錄組學分析，篩選出了20多種可能參與薯蓣皂素生物合成的P450酶候選基因，借助酵母表達體系，将上述候選P450酶候選基因在産膽固醇酵母RH6829菌株中進行了逐一表達，通過代謝工程與體外生物化學功能分析研究，揭示了單子葉與雙子葉植物已進化出了兩套不同的酶體系合成共同的目标化合物“薯蓣皂素”，盡管在單子葉與雙子葉植物中存在兩套不同的酶體系來催化薯蓣皂素的生物合成，但通過體外底物飼喂實驗分析顯示，兩種植物在本質上具備相同的薯蓣皂素合成通路，對于底物膽固醇C22位置的羟基化構型的要求也具有相同的專一性，即隻能利用22R-hydroxycholesterol作為薯蓣皂素的合成前體。

圖1.單子葉與雙子葉進化出兩套不同的薯蓣皂素合成酶

課題組進一步利用蛋白定點突變技術，揭示了薯蓣皂素合成P450酶的功能演化曆程，兩種植物薯蓣皂素下遊途徑P450酶均起源于油菜素内酯合成CYP90s家族酶，僅通過CYP90酶催化腔中幾種關鍵氨基酸的突變即可完成了酶的功能演化。在單子葉盾葉薯蓣植物中，P450酶功能進化得比較徹底，徹底喪失了油菜素内酯合成得功能，形成了專一的薯蓣皂素催化合成酶，而在雙子葉葫蘆巴植物中，P450酶進化相對懶惰随意，以緻于形成了低活性的薯蓣皂素合成酶，這也許解釋了自然界中為何單子葉植物合成薯蓣皂素的量遠遠高于雙子葉植物的原因（比如單子葉薯蓣科植物是世界上主要的薯蓣皂素藥源植物）。

基因突變實驗揭示薯蓣皂素合成酶的功能演化曆程

值得一提的是：在同一酵母菌株背景下，利用相同的酵母培養條件，發現單子葉植物薯蓣皂素合成基因的功能遠遠強于雙子葉植物的薯蓣皂素合成基因，薯蓣皂素合成效率高出了50多倍，因此，本研究成果為将來利用合成生物學技術制備薯蓣皂素提供了新的基因資源。

本實驗室博士畢業生周晨、在讀碩士生楊喻惠為第一作者，上海大學為第一完成單位；章焰生、李長福、安法梁為并列通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃(2018YFC1706200)、國家自然科學基金項目(31670300)的資助。

論文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/tpj.15604