从Nature Plants 到Science |多组学联用破译抗癌物质紫杉醇生物合成通路
药用植物代表最古老的药物形式，中国对药用植物的发现、使用和栽培由来已久。《史纪纲要》记载“神农尝百草，始有医药”。药用植物是重要的自然资源，其根、茎、叶、花、果实等富含各种天然产物，作用机制极其复杂。然而，难以控制的药用浓度以及质量参差不齐的药用植物资源往往限制其药用潜力开发和临床应用。三代测序技术的飞速发展促进了药用植物遗传信息的获得，基于基因组学的多组学研究可进一步确定基因功能，揭示药用成分合成调控网络，为重要药材资源的分子辅助育种、高效生产药用原料以及理解活性成分参与疾病预防和治疗的分子机制提供重要理论基础。
南方红豆杉基因组奠定基础
关于紫杉醇合成机制的破解之路始于首张南方红豆杉基因组蓝图发布。2021年，中国农业科学院深圳农业基因组研究所与湖南农业大学等单位联合在Nature Plants上发表题为“The Taxus Genome Provides Insights into Paclitaxel Biosynthesis”的研究论文，揭示红豆杉合成抗癌药物紫杉醇的遗传基础，为紫杉醇生物合成途径的解析提供基因组学蓝图和关键候选基因。
该研究以南方红豆杉（Taxus chinensis var. mairei）单倍型胚乳为材料，利用PacBio和Hi-C技术进行全基因组测序，成功组装染色体级别的高质量参考基因组。南方红豆杉基因组大小为10.23 Gb，Contig N50为2.44 Mb，其中 96.28%的数据被挂载到12条染色体上。
比较基因组分析发现，南方红豆杉基因组经历了一次古代的WGD事件，并且其基因组中的重复序列经历了长期而连续的插入过程。WGD事件的发生和重复序列的连续插入在一定程度上能够解释在进化过程中南方红豆杉基因组扩增的原因。在漫长的进化过程中，南方红豆杉不仅形成了独特的Gypsy和Copia转座子家族，而且进化出独有的紫杉醇生物合成相关基因家族。
研究团队系统分析了紫杉醇合成相关基因的基因组定位与协同表达调控，绘制了多个基因家族（CYP450、CYP725A）的基因组位置图谱。结果发现，紫杉醇合成相关基因在南方红豆杉染色体上存在聚集分布（尤其是9号染色体）和受植物激素茉莉素协同调控的趋势。并在红豆杉9号染色体上鉴定到首个紫杉醇生物合成基因簇，由六个基因串联组成，主要负责催化紫杉醇生物合成的前两步。
此外，研究团队利用RNA-seq数据进行三轮减法筛选，建立了一个基因对基因共调节网络。利用该网络鉴定到17个 CYP725A基因、3个转移酶和10个转录因子，与已知的紫杉醇生物合成基因密切相关。实时定量 PCR分析证实，某些基因可被茉莉酸诱导表达，表明其编码的蛋白可作为紫杉醇生物合成的潜在酶。综上，概述了南方红豆杉中紫杉醇的生物合成途径。
生化实验破解紫杉醇前体合成通路
近期，中国农业科学院深圳农业基因组研究所联合北京大学、清华大学等国内外六家单位在Science上发表题为“Characterization and heterologous reconstitution of Taxus biosynthetic enzymes leading to baccatin III”的研究成果，研究发现了紫杉醇生物合成途径中的两个缺失的关键酶“T9αH”、“TOT”，阐明了关键结构分子——紫杉烷氧杂环丁烷的形成机制，打通了紫杉醇生物合成途径。
Baccatin III为紫杉醇前体，以往只能从红豆杉枝叶中分离，然后化学转化为紫杉醇。紫杉醇分子中的氧杂环丁烷是极其独特的化学基序，由1个氧原子和3个碳原子形成的四元环结构，是紫杉醇抗癌活性的必要化学结构。研究团队基于前期鉴定的红豆杉生物合成相关基因家族与紫杉烷分子结构分析，推断推断参与紫杉醇生物合成的基因，包括负责氧杂环丁烷合成的基因以及C9位的氧化基因，属于红豆杉特异的CYP725A基因家族。通过在烟草中进行的基因和底物的酶活实验，从58个关键候选基因中，鉴定到一个参与紫杉醇合成的双功能酶——紫杉烷氧杂环丁烷合成酶，命名为TOT1。通过与已知基因的转录组共表达基因分析和紫杉素代谢物含量变化分析，筛选出17个紫杉烷C9位氧化酶候选基因。通过在烟草中重构紫杉素合成通路，筛选出负责紫杉烷C9位氧化的酶（T9αH1）。
通过在烟草中共表达TOT和T9αH与其他7个已知合成基因，在烟草中成功鉴定到巴卡亭III的生成。进一步通过生化研究分析，发现茉莉酸诱导这些核心基因的表达模式相似，且表现出强相关性，表明这些基因在细胞中受到协同调控。结合亚细胞定位实验结果，研究人员详细解析了baccatin III的完整生物合成过程。
药用植物具有显著的经济和社会效益，其含有的天然产物是许多化学药物的重要原料。获得药用植物的全基因组序列，将为了解该物种的进化、活性成分生物合成和遗传改良提供宝贵资源。基于基因组学展开的多组学分析，可以更全面、深入和精确地解析药用植物复杂药理属性形成的分子机制和调控机理，阐明涉及药用植物中特定化合物生物合成途径的基因，进而应用合成生物学或基因组编辑在工程生物中实现规模生产。药用植物基因组研究可以极大地促进药用植物生物活性成分生物合成机制的研究，并将中药研究推向生命科学领域的前沿。