11月25日，上海大学生命科学学院在The Plant Journal在线发表了题为“22R- but not 22S-hydroxycholesterol is recruited for diosgenin biosynthesis

”的研究论文，该论文结合比较转录组学与传统生物化学分析的研究技术手段，发现了单子叶与双子叶植物分别进化出了两套不同的酶体系合成薯蓣皂素，而且无论是单子叶还是双子叶植物，薯蓣皂素的合成均起源于22R-hydroxycholesterol,而并非前人所报道的22S-hydroxycholesterol(Weng et al., Nature Communications,2019,10(1):3206)。

薯蓣皂素是世界上200多种甾体激素类药物的前体物质，中国是薯蓣皂素主要出口国，单子叶薯蓣科植物为薯蓣皂素的主要药源植物。薯蓣皂素在植物体内几乎100%以糖苷形式存在，利用植物材料直接提取制备薯蓣皂素通常消耗大量的酸性溶剂，从而会产生严重的酸污染。自国家十三五规划以来，研发薯蓣皂素的新型制备技术已迫在眉睫，其中包括合成生物学技术的探索。薯蓣皂素在植物体内的生物合成机制尚不清晰，非常有意思的是薯蓣皂素的合成并不具有物种特异性，甚至在跨科的几种单子叶以及双子叶植物均有合成。单子叶与双子叶之间是否由共同的酶系主导薯蓣皂素的合成尚不明确。

为解答上述科学问题，上海大学生命科学学院“药用植物功能基因课题组”利用盾叶薯蓣（单子叶）以及葫芦巴（双子叶）两种代表植物为研究材料，通过比较转录组学分析，筛选出了20多种可能参与薯蓣皂素生物合成的P450酶候选基因，借助酵母表达体系，将上述候选P450酶候选基因在产胆固醇酵母RH6829菌株中进行了逐一表达，通过代谢工程与体外生物化学功能分析研究，揭示了单子叶与双子叶植物已进化出了两套不同的酶体系合成共同的目标化合物“薯蓣皂素”，尽管在单子叶与双子叶植物中存在两套不同的酶体系来催化薯蓣皂素的生物合成，但通过体外底物饲喂实验分析显示，两种植物在本质上具备相同的薯蓣皂素合成通路，对于底物胆固醇C22位置的羟基化构型的要求也具有相同的专一性，即只能利用22R-hydroxycholesterol作为薯蓣皂素的合成前体。

图1.单子叶与双子叶进化出两套不同的薯蓣皂素合成酶

课题组进一步利用蛋白定点突变技术，揭示了薯蓣皂素合成P450酶的功能演化历程，两种植物薯蓣皂素下游途径P450酶均起源于油菜素内酯合成CYP90s家族酶，仅通过CYP90酶催化腔中几种关键氨基酸的突变即可完成了酶的功能演化。在单子叶盾叶薯蓣植物中，P450酶功能进化得比较彻底，彻底丧失了油菜素内酯合成得功能，形成了专一的薯蓣皂素催化合成酶，而在双子叶葫芦巴植物中，P450酶进化相对懒惰随意，以致于形成了低活性的薯蓣皂素合成酶，这也许解释了自然界中为何单子叶植物合成薯蓣皂素的量远远高于双子叶植物的原因（比如单子叶薯蓣科植物是世界上主要的薯蓣皂素药源植物）。

基因突变实验揭示薯蓣皂素合成酶的功能演化历程

值得一提的是：在同一酵母菌株背景下，利用相同的酵母培养条件，发现单子叶植物薯蓣皂素合成基因的功能远远强于双子叶植物的薯蓣皂素合成基因，薯蓣皂素合成效率高出了50多倍，因此，本研究成果为将来利用合成生物学技术制备薯蓣皂素提供了新的基因资源。

本实验室博士毕业生周晨、在读硕士生杨喻惠为第一作者，上海大学为第一完成单位；章焰生、李长福、安法梁为并列通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划(2018YFC1706200)、国家自然科学基金项目(31670300)的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/tpj.15604