The Plant Journal｜武汉大学鲁丽课题组在植物苄基异喹啉生物合成研究中取得新进展

2022年9月5日， The Plant Journal在线发表了武汉大学药学院、中南医院药学研究院鲁丽课题组关于苄基异喹啉生物合成的最新研究成果。论文题目为“Characterization of benzylisoquinoline alkaloid methyltransferases in Liriodendron chinense provides insights into the phylogenic basis of angiosperm alkaloid diversity”，该研究从中国鹅掌楸中鉴定了三个苄基异喹啉生物碱甲基转移酶，为被子植物生物碱多样性和系统进化提供了见解。

植物中的苄基异喹啉生物碱，如吗啡、小檗碱、血根碱等，是一类具有重要药理活性价值的植物次生代谢物。由于其不利于化学合成的复杂立体化学结构和从天然植物中提取分离的困难，苄基异喹啉的生物合成一直是研究的热点。苄基异喹啉的许多生物合成酶在毛茛目植物中得到了广泛的研究，例如罂粟、黄连、唐松草等。然而同样含有大量苄基异喹啉生物碱木兰目，例如用作传统中药的木兰和肉桂等，却鲜有研究。鹅掌楸是木兰目的一种基部被子植物，研究这种祖先物种中的苄基异喹啉生物合成，对于理解植物进化过程中生物碱的分子起源和多样性具有重要意义。

该研究从中国鹅掌楸和杂交鹅掌楸的三个组织（根、树皮和叶）中鉴定了八种苄基异喹啉生物碱，并对这些生物碱进行了含量检测。基于对中国鹅掌楸多个组织的转录组分析，鉴定了六个氧甲基转移酶和四个氮甲基转移酶候选基因。

进一步的酶活研究鉴定了特异性催化 (S)-coclaurine C6位置和C7位置的氧甲基转移酶的LcOMT1和LcOMT3，和催化(S)-coclaurine的氮甲基转移酶LcNMT1。通过alphafold2对这三个蛋白进行了结构预测，利用分子对接主导的结构-功能分析和氨基酸突变实验，揭示了E204/F92/Y290/M80/Y252/I256/M339七个与LcNMT1底物宽泛性相关的关键氨基酸位点，同时发现A115/T301对于氧甲基转移酶LcOMT3的催化活性有重要影响。

最后，通过系统发育分析发现，与苄基异喹啉结构更加丰富的毛茛目植物相比，作为更原始物种的鹅掌楸的苄基异喹啉的氮甲基转移酶数量较少且底物特异性较窄，这表明氮甲基转移酶的扩张对被子植物苄基异喹啉化学多样性做出了重要贡献。由于苄基异喹啉在镇痛和抗炎药物研发中的巨大潜力，该研究鉴定的三个甲基转移酶也为未来治疗相关疾病的药物的微生物合成提供了更多选择。

武汉大学药学院、中南医院药学研究院为第一单位，2021级在读博士生程炜佳为第一作者，鲁丽研究员为论文通讯作者。该研究得到武汉大学启动经费、中央高校基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.15966

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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