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来源：植物生物技术Pbj
德国马克斯·普朗克化学生态学研究所的Sarah O’Connor和Prashant Sonawane团队已经确定GAME15是调控茄科植物中甾体皂苷和甾体糖基生物碱生物合成的关键蛋白。2024年10月17日，新发表在国际顶级学术期刊《Science》上的题为A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants的研究显示，该蛋白质对于从植物固醇前体形成这些天然产物至关重要。无法再产生这种蛋白质及其甾体皂苷的茄科植物（Solanum nigrum）对昆虫更加敏感。这些结果为高质量甾体分子的医疗应用生产开辟了新的前景，并可能支持针对农业害虫控制的策略。![]()
茄科植物（如马铃薯、番茄和茄子）中特定甾体化合物的生物合成途径始于植物固醇。多项研究调查了参与甾体糖基生物碱形成的酶。尽管已知负责产生甾体特化代谢物骨架的基因，但在其他植物中成功重构这些化合物尚未实现。科研人员特别希望阐明生物合成途径中的哪个重要组成部分迄今为止一直未被研究揭示，以及这个基因或蛋白质在途径中起什么作用。他们也想了解，在识别出缺失成分后是否可以重构生物合成途径。他们研究的一个重要方面也是进一步了解甾体皂苷在植物中的生态作用。GAME15 - 在茄科植物中甾体分子生物合成中的未知但关键角色研究团队使用野生植物龙葵（Solanum nigrum）进行研究，因为它在不同组织中产生不同的甾体化合物，所有这些化合物都源自相同的前体：植物固醇。在叶子中，最重要的甾体代谢物是一种名为uttroside B的皂苷，而在果实中，最重要的化合物是甾体糖基生物碱，如α-索拉森宁、α-索拉玛金和马来酰亚胺-索拉玛金。GAME6、GAME8和GAME11酶参与了这两种类型化合物的形成，并存在于叶子和果实中。通过共聚焦显微镜确定这些酶在细胞中的位置。通过生化和分子生物学分析，研究人员识别出编码称为GAME15的蛋白质的基因。虽然GAME15属于纤维素合酶样蛋白家族，但它在纤维素生产中没有功能。相反，它对甾体化合物的生物合成至关重要，尽管它没有像其他酶那样的催化功能。
蛋白质相互作用实验表明，GAME15与酶GAME6、GAME8和GAME11相互作用。这些酶负责胆固醇羟化的第一步，导致形成furostanol-aglycone（16,22,26-三羟基胆固醇），这是甾体皂苷和糖基生物碱合成之间的重要分支点。利用GAME15基因敲除的植株，科研人员能够证明这些植物不再能生产甾体糖基生物碱和皂苷。
甾体皂苷和甾体糖基生物碱是一组具有医疗应用前景的化合物。例如，最近的研究表明，某些皂苷在治疗肝癌方面非常有效。甾体糖基生物碱也具有抗癌、抗菌和抗炎活性。通过识别GAME15，科研人员能够在异源宿主如本氏烟草中重构甾体化合物的代谢途径，直至furostanol（甾体皂苷的前体）和solasodine（甾体糖基生物碱的直接前体）。因此，这项研究的结果为重要甾体化合物的改进生产开辟了可能性。
甾体糖基生物碱作为重要的植物防御物质已经为人所知。它们是茄科植物特有的有毒化合物，也存在于马铃薯、番茄和茄子中。然而，通过削皮、烹饪或油炸可以显著减少这些作物中的毒性。在番茄中，糖基生物碱在成熟过程中会被分解，因此在红色果实中几乎检测不到。然而，龙葵叶片中甾体皂苷的生态作用此前尚不清楚。一个关键线索来自温室，科研人员注意到无法生产皂苷的GAME15基因敲除植株比野生型植株更容易受到昆虫植食性动物的侵害。受此观察启发，研究人员进行了以两种天然茄科害虫为对象的生态实验，形式为进食试验。在第一次实验中，两种植食性动物，叶蝉Empoasca decipiens和科罗拉多马铃薯甲虫Leptinotarsa decemlineata，被给予野生型植株（产甾体皂苷）和GAME15基因敲除植株（因GAME15基因敲除而不产皂苷）的叶子选择。一周后，科研人员测量了昆虫造成的损害。结果清楚地显示，两种植食性物种几乎完全以敲除叶子为食，显示出对它们的偏好超过野生型叶子。在第二次实验中，科研人员采用了一种‘强制喂食’生物测定法，特别是针对科罗拉多马铃薯甲虫。在这个测试中，他们将单个甲虫放置在来自野生型或敲除植株的分离叶子上。仅仅六小时后，甲虫就愿意食用缺乏甾体皂苷的敲除叶子，而大部分时间避免野生型叶子，似乎宁愿挨饿也不愿进食，这是甾体皂苷在植物防御中作用的首个证据。叶片和果实中化合物的不同群组可能是这些化合物专门保护不同植物组织的结果。叶片更易遭受植食性动物攻击，而果实则更易受病原体侵袭。![]()
GAME15 基因敲除揭示了甾体皂甙在植物防御中的作用科研人员的发现强调了茄科植物如何将一种从核心代谢角色（如纤维素生物合成）劫持来的纤维素合酶样蛋白转变为结构角色，这是植物防御病原体所需的特化化合物生物合成所需的角色。这一发现为培育具有增强害虫抵抗力的作物和生产用于对抗癌症和其他疾病的甾体化合物提供了新的机会。
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