貫葉連翹（Hypericum perforatum），又名圣約翰草（St John’s wort），在歐亞各民族都有作為傳統(tǒng)草藥使用的歷史，也是我國傳統(tǒng)的中藥材之一，最早被《本草綱目拾遺》收載。貫葉連翹在西方用于治療煩躁不安、情緒低落、憂慮、集中力差、精神緊張等已有較悠久的歷史，近些年被用于治療輕、中度抑郁癥，其抗抑郁藥效來自于提取物中的貫葉連翹素（hyperforin），但控制其生物合成途徑的基因尚未得到解析。

　　近日，New Phytologist在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心Evangelos Tatsis研究組完成的題為Convergent gene clusters underpin hyperforin biosynthesis in St John's wort的研究論文。該研究基于基因組挖掘和生化實(shí)驗(yàn)解析了編碼hyperforin生物合成前三步的兩個(gè)基因簇并剖析了這些基因簇何時(shí)以及通過何種方式組裝形成，探索了植物中次生代謝的進(jìn)化歷程，為全面解析具有抗抑郁活性的hyperforin生物合成途徑奠定基礎(chǔ)。

　　研究對(duì)貫葉連翹的基因組以及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，并借助PlantiSMASH挖掘基因組中的生物合成基因簇，得到兩個(gè)包含BCKDHA（α-酮酸脫氫酶復(fù)合物E1亞基）、CCL（酰基轉(zhuǎn)移酶）、PKS（聚酮合酶）和MT（甲基轉(zhuǎn)移酶）四種代謝基因的基因簇，其中BCKDHA、CCL和PKS的共同出現(xiàn)符合hyperforin代謝途徑的預(yù)測(cè)步驟。

　　通過異源表達(dá)純化蛋白、酵母共表達(dá)系統(tǒng)以及煙草瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)，研究解析了基因簇中基因編碼酶的活性。BCKDHA、CCL和PKS蛋白在酵母中的共表達(dá)可以生成hyperforin前體（PIBP）的分子骨架。此外，研究對(duì)CCL的酶動(dòng)力學(xué)分析證明了兩個(gè)基因簇對(duì)hyperforin及其類似物生成具有不同的貢獻(xiàn)比例。盡管MT不存在于推測(cè)的代謝通路中，體外表達(dá)的甲基轉(zhuǎn)移酶能夠甲基化PIBP，研究將該分子命名為guanyine，通過分析煙草表達(dá)系統(tǒng)提取物推測(cè)MT可能具有解毒作用。

　　借助于比較基因組分析，研究在同屬金尾虎目且合成hyperforin類似物的鐵力木（Mesua ferrea）中發(fā)現(xiàn)了與貫葉連翹中具有共線性的基因簇，而在其他植物中未發(fā)現(xiàn)有包含全部四種基因類型的基因簇。結(jié)合物種發(fā)育樹與共線性分析，研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基因簇具有完全不同的進(jìn)化歷程：BGC1由包含BCKDHA與CCL的基因區(qū)域招募PKS與MT；BGC2則由CCL招募BGC1來源的PKS/MT基因?qū)?，且僅在貫葉連翹中發(fā)現(xiàn)。

　　研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院國際伙伴計(jì)劃、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中國博士后科學(xué)基金等的支持。

　　
物種進(jìn)化發(fā)育關(guān)系與基因簇的組裝