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科技日报记者 赵汉斌
托品烷生物碱是一类具有悠久历史和重要药用价值的植物源天然产物。记者29日从中国科学院昆明植物所获悉，该所研究团队近日在此类生物碱的生物合成及聚酮合酶进化的研究取得重要进展，相关研究发表在国际期刊《自然·通讯》上。
托品烷生物碱在结构上含有由吡咯环和哌啶环骈合而成的托品烷基本骨架，代表性成员如莨菪碱、东莨菪碱、可卡因等都具有重要的药用活性。目前，莨菪碱和东莨菪碱在临床上广泛用于镇痛、麻醉、止痉挛、抗晕动、帕金森症治疗等，有很大市场需求。
研究示意图。图片来源：昆明植物研究所
此前，昆明植物研究所天然产物生物合成及药用植物资源攻关团队长期聚焦托品烷生物碱，从生产莨菪碱和东莨菪碱的茄科植物曼陀罗、颠茄、三分三中鉴定了参与莨菪碱托品烷骨架构建的Ⅲ型聚酮合酶PYKS，并且基于蛋白晶体结构和定点突变实验确定了其重要的活性氨基酸残基位点R13。
近日，攻关团队以生产另一类药用托品烷生物碱可卡因的古柯科植物古柯为研究材料，从中鉴定了两个Ⅲ型聚酮合酶，它们的功能与PYKS相同，以丙二酰辅酶A为底物催化托品烷骨架前体3-羰基戊二酸的生成，然而二者却不含有PYKS的特征性活性位点R134。
为解析其催化机制，研究人员开展了蛋白结晶、分子对接及氨基酸定点突变实验，结果发现这两个Ⅲ型聚酮合酶采用了与PYKS的R134在空间上完全非等价的活性氨基酸位点来固定反应中间体，限制聚酮链延伸，从而生成终产物3-羰基戊二酸。随后，研究人员从系统发育树分析结合活性位点互换实验，推测古柯科和茄科植物中的Ⅲ型聚酮合酶在演化过程中，各自独立获得了催化生成3-羰基戊二酸的活性。
此项研究，不仅解析了可卡因生物合成中托品烷骨架构建的一个重要催化环节，还揭示了可卡因和莨菪碱生物合成路径中Ⅲ型聚酮合酶基因独立进化而功能和化学趋同的独特进化现象，拓展和加深了人们对植物次生代谢进化的认识。
关键词： 生物合成
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