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以下轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào) Ad植物微生物

2023年7月19日，PNAS期刊在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王成樹研究組完成的題為“A bacterial-like Pictet-Spenglerase drives the evolution of fungi to produce β-carboline glycosides together with separate genes”的研究論文，揭示了昆蟲病原真菌球孢白僵菌獲得細(xì)菌來源的水平轉(zhuǎn)移（HGT）基因而合成β-卡波林生物堿及其糖苷的分子機(jī)理。

不同原核及真核生物能夠合成結(jié)構(gòu)多樣的?-卡波林生物堿，分別具有重要的生物活性或醫(yī)藥價(jià)值。真菌來源的?-卡波林生物堿多有報(bào)道，但合成機(jī)理鮮有解析。不同細(xì)菌、植物及動(dòng)物中鑒定到不同的皮氏反應(yīng)酶(Pictet-Spenglerase, PS)，可以色氨酸為底物合成?-卡波林骨架，真菌來源的PS酶多不清楚。

帶不同修飾特征的?-卡波琳化合物結(jié)構(gòu)

該研究發(fā)現(xiàn)球孢白僵菌基因組中存在一個(gè)同海洋細(xì)菌PS酶高度同源的HGT基因，命名為Fcs1。經(jīng)大腸桿菌和酵母異源表達(dá)發(fā)現(xiàn)，該基因能夠合成?-卡波林骨架；進(jìn)一步在球孢白僵菌中過表達(dá)Fcs1，產(chǎn)物分離純化與鑒定獲得了系列?-卡波林生物堿及其糖苷化合物，多數(shù)為新結(jié)構(gòu)化合物。將野生菌株與Fcs1過表達(dá)菌株進(jìn)行比較轉(zhuǎn)錄組分析，獲得多個(gè)差異表達(dá)的潛在P450基因，酵母表達(dá)及基因缺失分析證明，一個(gè)CYP684B2 家族的基因（命名為Fcs2）可在多位點(diǎn)氧化?-卡波林骨架，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Fcs2的輔因子基因Fcs3。進(jìn)一步基因功能驗(yàn)證表明，一對(duì)串聯(lián)的糖基-甲基轉(zhuǎn)移酶基因負(fù)責(zé)羧基和多位點(diǎn)羥基的糖甲基化修飾，生成不同結(jié)構(gòu)的?-卡波林糖苷，命名為bassicarbosides。

白僵菌的?-卡波林合酶為細(xì)菌來源的水平轉(zhuǎn)移基因

不同于典型的真菌次級(jí)代謝基因成簇的結(jié)構(gòu)特征，本文鑒定的不同功能基因位于球白僵菌的不同染色體上，但Fcs1相鄰的CYP684A2家族基因雖不具有氧化?-卡波林骨架的活性，但同F(xiàn)cs2具有高度的相似性，表現(xiàn)出圍繞Fcs1基因而成簇的進(jìn)化特征。另外，分析發(fā)現(xiàn)球孢白僵菌近緣種中Fcs1同源基因不存在時(shí)，則其基因組中與Fcs2高度同源的P450不具有氧化活性。分子對(duì)接與位點(diǎn)突變證明，不含F(xiàn)cs1的真菌中，F(xiàn)cs2同源蛋白存在部分關(guān)鍵位點(diǎn)的差異。

白僵菌合成不同?-卡波林糖苷的代謝途徑

論文研究成果不僅豐富了真菌來源的PS酶種類，也揭示了關(guān)鍵HGT基因的獲得可促進(jìn)關(guān)聯(lián)基因的功能性進(jìn)化，獲得了真菌次級(jí)代謝基因簇形成的過渡性證據(jù)。

王成樹研究員及其研究組合影

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生李新林為第一作者，詹帥研究員幫助開展了基因選擇壓力分析，王成樹研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃等項(xiàng)目資助。