MPB 编委动态 | 东北林业大学徐志超组综述NPR-苄基异喹啉类生物碱结构多样性、生物合成起源与进化研究进展

文摘   2024-10-23 11:30   美国  

2024年10月,本草基因组学研究团队/东北林业大学徐志超课题组受邀在天然产物研究领域国际顶级期刊Natural Product Reports 在线发表题为Structural diversity, evolutionary origin, and metabolic engineering of plant specialized benzylisoquinoline alkaloids 的综述论文。该文章系统总结了植物中苄基异喹啉类生物碱类天然产物的结构、分类、分布、生物合成途径、关键酶催化机制、关键酶起源与进化和微生物异源合成等方面的研究进展,并讨论了代谢工程所面临的挑战及解决策略。


苄基异喹啉生物碱(benzylisoquinoline alkaloids, BIAs)是一类由L-酪氨酸衍生的含有苄基异喹啉骨架的植物天然产物,主要存在于木兰类和早期分化的双子叶植物中。BIAs类化合物药理活性突出,如吗啡因(镇痛)、小檗碱(抗菌、降脂)、千金藤素(白细胞增生、抗冠状病毒)、青藤碱(抗风湿)等均已临床应用。近年来,本草基因组学研究团队以毛茛科黄连(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)、防己科北豆根(An et al., Advanced Science, 2024)等物种为研究对象,在BIAs的结构多样性、代谢合成、起源进化及抗病毒活性等方面取得进展。BIAs化合物立体构型复杂、结构多样、在植物中含量低、化学合成难度大等问题限制临床使用及新药开发,其代谢工程、绿色生物制造及分子育种等研究策略备受关注。


作者系统整理了已报道的BIAs化学结构、结构分类及骨架类型在特定植物谱系中的分布情况;系统梳理不同类型的BIAs生物合成途径,总结了已报道蛋白结构的关键酶NCS、OMT和BBE的催化机制;基于245个已报道的植物基因组,构建催化酶编码基因的系统演化关系,追溯关键酶基因家族的起源及进化,发现CYP450的种系特异性复制、扩张及功能分化驱动BIAs结构多样性的形成,为BIAs生物合成未知基因的鉴定提供新的思路;进一步地,总结了不同类型BIAs在微生物底盘中的代谢工程及合成生物学研究进展,提出了新的绿色合成研究策略,助力BIAs药物供应及新药发现,为BIAs来源植物的资源和可持续利用奠定基础。

图1 基于本草基因组学研究策略的BIAs生物合成及绿色生产


东北林业大学在读博士田亚、孔令哲、李琪为论文共同第一作者,中国中医科学院青蒿素中心高冉冉博士、成都中医药大学陈士林院士、东北林业大学徐志超教授为论文共同通讯作者,中国中医科学院中药研究所孙伟研究员、大理大学段宝忠教授参与指导该论文。研究获国家重点研计划青年科学家项目、国家自然科学基金等项目支持。


原文链接:
https://doi.org/10.1039/D4NP00029C


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