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科技日報記者 趙漢斌
托品烷生物堿是一類具有悠久歷史和重要藥用價值的植物源天然產(chǎn)物。記者29日從中國科學(xué)院昆明植物所獲悉，該所研究團(tuán)隊近日在此類生物堿的生物合成及聚酮合酶進(jìn)化的研究取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》上。
托品烷生物堿在結(jié)構(gòu)上含有由吡咯環(huán)和哌啶環(huán)駢合而成的托品烷基本骨架，代表性成員如莨菪堿、東莨菪堿、可卡因等都具有重要的藥用活性。目前，莨菪堿和東莨菪堿在臨床上廣泛用于鎮(zhèn)痛、麻醉、止痙攣、抗暈動、帕金森癥治療等，有很大市場需求。
研究示意圖。圖片來源：昆明植物研究所
此前，昆明植物研究所天然產(chǎn)物生物合成及藥用植物資源攻關(guān)團(tuán)隊長期聚焦托品烷生物堿，從生產(chǎn)莨菪堿和東莨菪堿的茄科植物曼陀羅、顛茄、三分三中鑒定了參與莨菪堿托品烷骨架構(gòu)建的Ⅲ型聚酮合酶PYKS，并且基于蛋白晶體結(jié)構(gòu)和定點突變實驗確定了其重要的活性氨基酸殘基位點R13。
近日，攻關(guān)團(tuán)隊以生產(chǎn)另一類藥用托品烷生物堿可卡因的古柯科植物古柯為研究材料，從中鑒定了兩個Ⅲ型聚酮合酶，它們的功能與PYKS相同，以丙二酰輔酶A為底物催化托品烷骨架前體3-羰基戊二酸的生成，然而二者卻不含有PYKS的特征性活性位點R134。
為解析其催化機(jī)制，研究人員開展了蛋白結(jié)晶、分子對接及氨基酸定點突變實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個Ⅲ型聚酮合酶采用了與PYKS的R134在空間上完全非等價的活性氨基酸位點來固定反應(yīng)中間體，限制聚酮鏈延伸，從而生成終產(chǎn)物3-羰基戊二酸。隨后，研究人員從系統(tǒng)發(fā)育樹分析結(jié)合活性位點互換實驗，推測古柯科和茄科植物中的Ⅲ型聚酮合酶在演化過程中，各自獨立獲得了催化生成3-羰基戊二酸的活性。
此項研究，不僅解析了可卡因生物合成中托品烷骨架構(gòu)建的一個重要催化環(huán)節(jié)，還揭示了可卡因和莨菪堿生物合成路徑中Ⅲ型聚酮合酶基因獨立進(jìn)化而功能和化學(xué)趨同的獨特進(jìn)化現(xiàn)象，拓展和加深了人們對植物次生代謝進(jìn)化的認(rèn)識。
關(guān)鍵詞： 生物合成
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