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来源：MPlant植物科学
三萜类化合物是植物最重要的次生代谢产物之一，在植物生长发育、应对胁迫和调控根系微生物等过程中发挥着关键作用。其结构由苷元和糖基两部分组成，其中，糖基化修饰的多样性赋予了三萜皂苷良好的生物活性，为相关天然药物的开发提供了重要资源。在伞形目植物（Apiales）产生的天然产物中，有一类高度糖基化的三萜皂苷，其C-28位羧基上都连接着一个特征性葡萄糖-葡萄糖-鼠李糖（G-G-R）糖链。时至今日，该糖链的生物合成机制尚未被解析。积雪草苷和羟基积雪草苷因具有显著的皮肤愈伤活性，是多类护肤品的明星添加成分，市场前景十分广阔。然而，这类分子C-28位糖链的生物合成机制一直未被解析，大大限制了对其进一步的开发与应用。2024年6月19日，武汉大学药学院虞沂课题组联手上海交通大学农业与生物学院刘振华教授团队，在Plant Communications杂志上发表了题为“The biosynthesis of asiaticoside and madecassoside reveals a tandem duplication-directed evolution of glycoside glycosyltransferases in the Apiales ”的研究论文，报道了伞形目药用植物积雪草（Centella asiatica）中三萜皂苷天然产物积雪草苷（Asiaticoside）及羟基积雪草苷（Madecassoside）的C-28位G-G-R糖链的生物合成途径与相关酶催化机理（图1）。https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101005
虞沂课题组前期已经表征了加载积雪草苷及羟基积雪草苷特征糖链中第一个葡萄糖所需的28-O-糖基转移酶CaUGT1（Tetrahedron, 2022,129:133136; 图1A）。本项研究则借助已经发表的积雪草转录组数据，利用积雪草苷和羟基积雪草苷在积雪草中的积累具有空间特异性这一特点，运用共表达分析方法成功挖掘到参与积雪草苷及羟基积雪草苷C-28位特征糖链合成的糖苷糖基转移酶（glycoside glycosyltransferases, GGT）CaUGT3和CaUGT4（图1C和D）。其中，CaUGT3以1→6连接的方式加载特征糖链的第二个葡萄糖，CaUGT4以1→4连接的方式加载特征糖链的第三个鼠李糖（图1A）。图1 积雪草中参与积雪草苷及羟基积雪草苷生物合成的GGT酶
随后，本研究借助CaUGT3及CaUGT4的糖基受体杂泛性合成了以常春藤皂苷元、乌苏酸、齐墩果酸、皂皮酸、山楂酸及远志皂苷元为骨架的带有C-28位G-G-R特征糖链的一系列三萜皂苷及中间体，其中包括7个新化合物。而对于CaUGT3和CaUGT4展现出的不同糖基供体选择性（CaUGT3特异性识别UDP-Glc、UDP-Gal、UDP-GlcNAc以及UDP-Xyl，CaUGT4特异性识别UDP-Rha及UDP-Xyl），本研究利用蛋白结构预测、分子对接以及定点突变实验进行了探究。实验结果显示，在PSPG motif之外，负责固定糖基供体C-5位基团的两个相邻氨基酸对于CaUGT3和CaUGT4糖基供体选择性至关重要（图1E）。通过交换两个GGT在该位点的氨基酸成功改变了CaUGT4的糖基供体偏好性，使其能够识别UDP-Glc以及UDP-GlcNAc。最后，本研究将三萜皂苷C-28位G-G-R特征糖链生物合成机制的探索进一步扩展至伞形目范围，成功挖掘到洋常春藤以及刺五加中参与糖链合成的HhUGT3/4和EsUGT3/4，并解析了这两类GGT的进化起源，发现了由串联复制事件引发的GGT复制与分化是导致伞形目植物积累带有C-28位G-G-R糖链三萜皂苷的关键（图2）。图2参与三萜皂苷C-28位G-G-R糖链生物合成的GGT酶的演化
综上，本研究揭示了伞形目植物中一类高度糖基化三萜皂苷C-28位G-G-R特征糖链修饰的遗传和酶学基础，填补了积雪草苷及羟基积雪草苷完整生物合成途径最后一块拼图，为今后运用合成生物学制造高附加值、高糖基化三萜皂苷铺平了道路。武汉大学药学院2020级博士研究生韩小杨为本论文第一作者，武汉大学虞沂教授和上海交通大学刘振华教授为通讯作者。该研究得到了广西科技基地与人才专项（AD23026030）、中央财政支持地方科技发展引导资金（ZY23055032）、国家重点研发计划（2022YFC2602000）等项目的资助。长按或扫描二维码
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