A conserved terpene cyclase gene in Sanghuangporus for abscisic acid-related sesquiterpenoid biosynthesis
- 作者
- Yoonhee Cho, Chang Wan Seo, Hyeonjae Cho, Yeongwoon Jin, Abel Severin Lupala, Sang Hee Shim, Young Woon Lim
- 单位
- School of Biological Sciences and Institute of Biodiversity, Seoul National University; College of Pharmacy, Natural Products Research Institute, Seoul National University; Department of Microbiology, Parasitology and Biotechnology, Sokoine University of Agriculture
- 杂志
- BMC Genomics（2025）
- DOI
- 10.1186/s12864-025-11542-9
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
桑黄属真菌中具有药用价值的脱落酸相关倍半萜类化合物的生物合成途径和关键酶尚不清楚，限制了其药用潜力开发。
研究策略
结合基于质谱的代谢组学（分子网络和Sirius分析）与天然产物基因组挖掘（antiSMASH、DeepBGC），通过BGC预测、系统发育、AlphaFold结构预测和分子对接等集成方法，预测桑黄属中ABA相关倍半萜的生物合成基因簇和途径。
核心内容
本研究整合了基于质谱的代谢组学与基因组挖掘技术，对四种桑黄属真菌中脱落酸相关倍半萜的生物合成途径进行了系统解析。通过分子网络分析和antiSMASH、DeepBGC等工具预测基因簇，结合系统发育、AlphaFold结构预测和分子对接，鉴定出一个保守的倍半萜环化酶基因簇ancA，并首次提出以γ-紫罗兰亚基乙醇为关键中间体的直接ABA合成途径。从桑黄中分离到7个化合物，其中新倍半萜SHA-1经NMR、ECD及DP4计算确定结构。基因组组装结果为31.9–36.2 Mb，预测蛋白编码基因9,664–10,126个；ancA基因簇在S. weigelae中长112 kb，DeepBGC评分0.94。AncA蛋白与牛樟芝同源蛋白同一性达54.1%，分子对接显示磷酸酶域与底物结合能为-7.5 kcal/mol。化合物9对牙龈卟啉单胞菌的MIC为5.9 μg/mL，优于阳性对照扁柏酚。系统发育分析以100%支持率证实该基因在刺革菌科的保守性，并推测其可能经水平基因转移存在于泥炭藓中。该研究填补了桑黄倍半萜遗传基础研究的空白，为代谢工程提升药用活性化合物产量奠定了基础。
创新点
1. 发现并鉴定了新倍半萜化合物SHA-1；2. 首次在桑黄属中预测出参与ABA相关倍半萜生物合成的ancA BGC，并阐明其保守性；3. 利用深度学习方法（DeepBGC）和AlphaFold/Foldseek结构预测功能，提出基于γ-紫罗兰亚基乙醇的直接ABA合成途径；4. 揭示了ancA基因在担子菌中的广泛保守性，并推测其通过水平基因转移存在于泥炭藓中。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Sanghuangporus weigelae (KMRB22010601) | 脱落酸相关倍半萜生物合成 | ancA (ACEPAI_7410) | AncA | 催化 | 倍半萜合酶/萜烯环化酶，含萜烯环化酶和焦磷酸酶两个结构域，催化FPP环化 |
| Sanghuangporus spp. | 脱落酸相关倍半萜生物合成 | ACEPAI_7411 | Mediator complex subunit | 调控 | 预测参与RNA聚合酶II转录调控 |
| Sanghuangporus spp. | 脱落酸相关倍半萜生物合成 | ACEPAI_7418 | hypothetical protein | 催化 | Foldseek预测与萜烯合酶DEP1有19.3%结构同一性，可能具有环化酶活性 |
| Sanghuangporus spp. | 脱落酸相关倍半萜生物合成 | ACEPAI_7421 | GRP1-like protein | 调控 | 含PH结构域，类似Sec7蛋白，可能参与ARF信号通路调节 |
| Sanghuangporus spp. | 脱落酸生物合成 | ABA4 | 短链脱氢酶/还原酶 | 催化 | 催化1,4-反式-二羟基-α-紫罗兰基乙酸生成ABA |
| Sanghuangporus spp. | 脱落酸相关倍半萜生物合成 | ACEPAI_7444 | 肽酶 | 催化 | 预测为肽酶，分子对接显示与化合物4有高结合亲和力 |
关键发现
- 从四个桑黄物种中分离得到7个化合物，包括1个新倍半萜SHA-1，其结构经NMR、ECD和DP4计算确定。基因组组装获得31.9–36.2 Mb的基因组，GC含量47.80%–48.11%，BUSCO完整性91.0%–93.7%，N50为2.52–3.02 Mb，包含17–25个contigs，端粒覆盖率23.5%–73.5%，预测蛋白编码基因9,664–10,126个。antiSMASH预测的BGC数量：S. sanghuang 19个，S. baumii 19个，S. weigelae 20个，S. vaninii 25个。DeepBGC在S. weigelae中预测出373个BGC，其中ancA BGC的DeepBGC得分为0.94022，terpene预测概率0.44，antibacterial预测概率0.61
- 该BGC长112 kb，含172个基因（BRAKER3注释后缩减为41个）。AncA蛋白与Antrodia cinnamomea的AncA有54.1%（ACEPAI_7410）和43.2%（ACEPAI_4311）的同一性。分子对接预测蛋白-代谢物结合能范围为-4.4至-9.5 kcal/mol，其中AncA磷酸酶域与二磷酸化合物9的结合能为-7.5 kcal/mol。化合物6和7对Porphyromonas gingivalis的MIC分别为34.1 μg/mL和155 μg/mL，化合物9的MIC为5.9 μg/mL（阳性对照hinokitiol和triclosan的MIC分别为25.0和3.13 μg/mL）。系统发育分析显示Hymenochaetaceae中AncA序列以100%的bootstrap支持率形成单系。
研究结论
通过整合基因组和代谢组数据，预测了桑黄属中负责脱落酸相关倍半萜生物合成的ancA基因及其BGC，并提出了生物合成途径。该研究填补了桑黄属倍半萜生物合成遗传基础研究的空白，为未来通过代谢工程提高药用倍半萜产量提供了理论基础。