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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物。記者29日從中國科學院昆明植物所獲悉，該所研究團隊近日在此類生物堿的生物合成及聚酮合酶進化的研究取得重要進展，相關研究發表在國際期刊《自然·通訊》上。
托品烷生物堿在結構上含有由吡咯環和哌啶環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物生物合成及藥用植物資源攻關團隊長期聚焦托品烷生物堿，從生產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建的Ⅲ型聚酮合酶PYKS，并且基于蛋白晶體結構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，攻關團隊以生產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。
為解析其催化機制，研究人員開展了蛋白結晶、分子對接及氨基酸定點突變實驗，結果發現這兩個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中間體，限制聚酮鏈延伸，從而生成終產物3-羰基戊二酸。隨后，研究人員從系統發育樹分析結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建的一個重要催化環節，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化而功能和化學趨同的獨特進化現象，拓展和加深了人們對植物次生代謝進化的認識。
關鍵詞： 生物合成
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