小檗碱（苄基异喹啉类生物碱）是一种具有广谱抗菌、抗炎、降脂等功效的天然药物，其全球年产值高达40亿美元。传统的小檗碱生产主要依赖于黄连、黄柏等药材的提取。近日，东北林业大学徐志超课题组/成都中医药大学陈士林院士团队在国际TOP学术期刊Science子刊《Science Advances》上发表了题为“小檗碱生物合成的趋同进化”的研究论文，基于本草基因组学研究体系，团队在濒危药用植物黄檗（树皮入药，关黄柏）中发现了一条全新的、不同于传统认知的小檗碱生物合成途径，并深入解析了其背后的分子机制。研究团队通过时空代谢组学、基因组学、转录组学等多组学手段，结合酶功能验证，系统鉴定并验证了黄檗中小檗碱合成途径中的关键酶；通过蛋白质结构分析、位点突变、进化分析等手段，揭示了这些酶的催化机制与功能分化。该研究成果为小檗碱的生物合成工程提供了全新的理论基础，为实现小檗碱的绿色可持续生产奠定了坚实基础。
全新合成通路发现：团队解析了黄檗中小檗碱生物合成的6个酶学步骤。其中，首次发现O-甲基转移酶（OMT）具有催化苄基异喹啉类生物碱（BIAs）中间体的N-甲基化活性，并将其命名为NOMT；传统认为FAD依赖氧化酶催化经典的小檗碱桥酶活性，创新性发现细胞色素氧化酶CYP71BG29行使小檗碱桥酶功能。
图2 小檗碱在远缘植物中的分布及生物合成通路
酶催化及结构机制：研究进一步解析了PaNOMT9晶体结构，与已报道的Tf6OMT蛋白结构相比，PaNOMT9与底物的结合构象差异使底物的NH基团相对更靠近SAM供体，导致N-甲基化活性；通过基因溯源，发现PaCYP71BG29起源于植物褪黑素合成途径基因，由基因复制及位点正选择等驱动了基因的新功能化。
代谢进化新视角：已知黄连等植物合成小檗碱的编码基因均散落在基因组的不同位置，而黄檗中小檗碱合成相关酶CYP71BG、OMT等成员形成基因簇，该基因簇经历两次物种特异的全基因组复制事件使得关键基因发生复制及新功能化。本研究揭示了由非同源酶介导的小檗碱生物合成的趋同进化机制，为“基因组演化驱动植物代谢多样性形成”理论提供新的范例。
图3 O-甲基转移酶催化N-甲基化活性的酶学机制
东北林业大学徐志超教授为该论文的第一及通讯作者，博士生田亚、王婧为该论文的共同第一作者。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、高冉冉副研究员、中国医学科学院药用植物研究所刘海涛研究员为该论文的共同通讯作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金区域联合重点、国家自然科学基金面上等项目支持。
苄基异喹啉生物碱药理活性突出，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。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。近年来，本草基因组学研究团队以芸香科黄檗（Xu et al., Science Advances, 2024）、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）、罂粟科毛黄堇（Xu et al., Plant Journal, 2022）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。此外，团队受邀在天然产物研究领域国际顶级期刊Natural Product Reports（2024）系统综述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。欢迎对本草基因组、天然产物生物合成、药用植物分子育种等感兴趣的同仁加入我们（zcxu@nefu.edu.cn）。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads3596
