Science Advances | 脑卒中治疗药物丁基苯酞的生物合成研究

近日，基因组所(省实验室深圳分中心)王丽课题组在《科学进展（Science Advances）》（IF=15.3）在线发表了题为“Haplotype-phased genome unveils the butylphthalide biosynthesis and homoploid hybrid origin of Ligusticum chuanxiong”的研究论文，基于伞形科药用植物川芎染色体水平的基因组，重点对左旋正丁基苯酞合成通路下游的去饱和步骤进行了解析，实现了苯酞类物质生物合成研究的新突破，并揭示了川芎的杂交起源。

苯酞类物质（Phthalide）是一类广泛存在的天然活性产物，其C-3位取代的正丁基苯酞（3-n-Butylphthalide）是治疗缺血性脑卒中的一线药物，年销售额超过60亿元。但丁基苯酞一直依赖于纯化学合成，化学合成产物为外消旋体，药效低于天然的左旋体。因此，开拓天然左旋丁基苯酞的生物合成通路的空白，能够为未来左旋体药物的生产和开发利用奠定基础。

研究团队选取了富含苯酞类物质的伞形科药用植物川芎（Ligusticum chuanxiong）作为研究体系，绘制了其第一张染色体级别的单倍型分型基因组。川芎基因组大小约为3.5 Gb，杂合度高，约为4.2%，具有11对共22条染色体，每套单倍型约包含5万个基因。通过将川芎的两套单倍型及其近缘种藁本（Ligusticum sinense）进行了详细的比较基因组学分析，发现川芎的两套单倍型具有显著的结构变异，至少已分化两百万年，应来源于不同的祖先物种，其中一套单倍型的野生祖先可能为藁本。这些结果揭示了川芎是一种杂交起源的药用植物。

图|伞形科药用植物川芎是一种杂交起源的植物

基于一个高质量的川芎分型基因组，研究团队重点探究了丁基苯酞的下游通路。首先利用粗蛋白活性实验确定了洋川芎内脂A为左旋丁基苯酞的直接前体。然后通过多组学联合的方式挖掘了34个可能参与去饱和反应的氧化酶。最后通过底物饲喂实验和体外酶活实验在大肠杆菌、烟草和酵母中验证了候选2OGD和CYP基因的功能，发现至少有4个氧化酶能够介导苯酞类C-4/C-5位碳键的去饱和，催化洋川芎内脂A转化为丁基苯酞。这些结果开拓了苯酞类生物合成研究的空白，将助力未来丁基苯酞通路的全解析。

多个冗余的CYP和2OGD介导了左旋丁基苯酞和丁烯基苯酞的合成

中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）为第一单位。基因组所王丽研究员为论文的通讯作者，基因组所博士后聂宝和陈雪青，博士生侯壮伟和郭妙弦为该论文的共同第一作者。

该研究得到了国家自然科学基金委员会、广东省、深圳市及大鹏新区的资助。项目资助的第一标注为合成生物学国家重点研发计划。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6547