北京大学药学院叶敏/乔雪团队通过发现和改造三萜糖基转移酶，实现系列黄芪皂苷的组合催化合成

近日，北京大学药学院叶敏/乔雪团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为"Characterization and protein engineering of glycosyltransferases for the biosynthesis of diverse hepatoprotective cycloartane-type saponins in Astragalus membranaceus"的研究论文。该研究论文从传统中药黄芪中克隆得到三个活性糖基转移酶并鉴定功能；通过序列比对、分子模拟和定点突变对其进行定向改造，与团队此前报道的糖基转移酶共同建立了系列黄芪皂苷的组合催化网络；部分糖基化产物表现出更好的保肝和抗新冠病毒活性。该结果为黄芪皂苷类化合物的生物合成提供了新的催化工具。

黄芪皂苷是传统中药黄芪的主要药效成分，具有保肝、抗病毒、保护心血管和免疫调节等多种药理活性。黄芪皂苷属于独特的环阿屯烷型三萜，以环黄芪醇为骨架，在C3/C6/C25-OH及C3木糖的2’-OH进行糖基化修饰。虽然总含量较高，但黄芪皂苷结构多样，部分化合物含量低，且缺乏紫外吸收，分离纯化存在很大困难，药理活性研究较少。因此，非常有必要采用生物合成的手段对其进行制备。

结构多样的黄芪皂苷对应多种功能的糖基转移酶。该研究通过转录组数据分析及外源活性表征，从黄芪中筛选得到了3条活性糖基转移酶（GT）基因：AmGT1、AmGT5和AmGT9。AmGT1可催化环黄芪醇C3-OH糖基化，对木糖供体（UDP-Xyl）有较好的选择性，能同时利用UDP-葡萄糖（UDP-Glc）、UDP-半乳糖、UDP-阿拉伯糖等10种糖基供体，是已知供体选择性最广泛的三萜GT酶；AmGT5可催化环黄芪醇C3-OH的糖基化，但对UDP-葡萄糖选择性更高；AmGT9可催化环黄芪醇C25-OH的糖基化，是第一个催化环阿屯烷型三萜侧链羟基的糖基转移酶。

通过序列比对、分子模拟和定点突变，获得AmGT1G146V/I突变体，可专一利用UDP-Xyl，对UDP-Glc无活性。利用AmGT1/5/9及AmGT1G146V/S，与已报道的AmGT8及其突变体AmGT8A394F开展组合催化，可以实现黄芪中13个环阿屯烷型皂苷的组合合成，覆盖了绝大部分黄芪皂苷的糖取代类型，转化率在22.6%至98.7%之间。此外，AmGT还可用于合成新颖黄芪皂苷、稀有或新颖的人参皂苷。相比于苷元，部分糖基化产物的保肝及抗新冠病毒活性明显增强。通过组合催化可生产中药黄芪的系列化学成分，也为皂苷类化合物的生物合成提供了新的催化工具。

北京大学药学院博士研究生陈宽、张梦、高伯函为论文共同第一作者，乔雪研究员、叶敏教授为共同通讯作者。同时感谢瑞典乌普萨拉大学李俊豪博士、Ågren Hans 教授、中国科学院昆明植物研究所刘海洋教授、赛默飞世尔科技有限公司崔宇、柴瑞平老师对项目的重要贡献。这项工作得到了国家基金委优秀青年科学基金、北京市杰出青年科学基金、植物化学与西部植物资源持续利用国家重点实验室开放课题等项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13983

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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