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Biosynthesis and bioactivity of anti-inflammatory triterpenoids in Calendula officinalis

作者
D. Golubova, M. Salmon, H. Su, C. Tansley, GG Kaithakottil, G. Linsmith, C. Schudoma, D. Swarbreck, MA O'Connell, NJ Patron
杂志
Nature Communications（2025）
DOI
10.1038/s41467-025-62269-w
所属领域
合成生物学
关键词
Calendula officinalisacyltransferaseanti-inflammatorybiosynthetic pathwaycytochrome P450faradioloxidosqualene cyclasetriterpenoids
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解决的核心问题

金盏花提取物中抗炎活性成分不明，且其生物合成途径未知，限制了可持续生物生产抗炎分子。

研究策略

结合代谢组学和生物活性测定鉴定活性分子，通过基因组和转录组测序、系统发育分析、异源表达、结构建模和定点突变阐明生物合成途径，并在烟草中重建完整途径。

研究路线图

100%
问题：金盏花抗炎活性成分不明，生物合成途径未解析
策略：代谢组学+活性测定鉴定分子；组学+异源表达+结构建模解析途径
关键改造①：确认C16羟基化三萜（faradiol及酯）为抗炎关键成分
关键改造②：首发Ψ-taraxasterol合酶（TXSS），揭示起源于混合香树脂醇合酶
关键改造③：定点突变鉴定TXSS产物特异性关键残基（D385E+H492Q等）
关键改造④：功能鉴定C16羟化酶（CYP716A392/393）与酰基转移酶（ACT1-3）
结果：烟草中重建全途径，faradiol达2.34 μg/mg，为原植物9.4倍；确证抗炎机制（抑制STAT3/IL-6）
结论：阐明金盏花抗炎三萜完整生物合成途径及进化起源，实现异源可持续生产
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核心内容

该研究通过整合代谢组学与生物活性测定，确认金盏花中C16羟基化三萜（如faradiol及其脂肪酸酯）是抗炎活性的关键贡献者：50 μg/mL金盏花提取物可使脂多糖诱导的TNF-α和IL-6释放分别降低46%和56%，而20 μM的faradiol和amidiol可分别抑制IL-6释放59%和61%，其机制涉及抑制STAT3磷酸化。研究进一步结合基因组、转录组测序及系统发育分析，首次表征了以Ψ-taraxasterol为主要产物的氧化角鲨烯环化酶TXSS，揭示其起源于距今约83–121百万年前菊科祖先的混合香树脂醇合酶；通过结构建模和定点突变鉴定出控制产物特异性的关键残基，如CoTXSS的D385E+H492Q突变可将主要产物从Ψ-taraxasterol转变为taraxasterol。同时功能鉴定了C16羟化酶和酰基转移酶，并在本氏烟草中重建完整生物合成途径，最高获得faradiol 2.34 μg/mg干重，是成熟金盏花（0.25 μg/mg）的9.4倍。该工作不仅阐明了金盏花抗炎三萜的完整生物合成与进化起源，也为可持续生产抗炎分子提供了可行平台。

创新点

确认C16羟基化三萜（faradiol及其脂肪酸酯）是金盏花抗炎活性的关键贡献者，并揭示其通过抑制STAT3磷酸化调节IL-6释放的新机制；首次表征以Ψ-taraxasterol为主要产物的氧化角鲨烯环化酶（TXSS），揭示其起源于Asteraceae早期祖先的混合香树脂醇合酶；鉴定控制TXSS产物特异性的关键残基，并发现非基底Cichorioideae TXSS受正选择；功能表征C16羟化酶和酰基转移酶；在烟草中重建TFAE生物合成途径，获得高于原植物的产物产量。

研究对象（18）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoTXSS Ψ-塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自金盏花，催化2,3-氧化角鲨烯环化生成Ψ-taraxasterol和taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoMAS 混合香树脂醇合酶 催化 来自金盏花，突变体I367M/E371D改变产物谱，增加Ψ-taraxasterol/taraxasterol产量
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoCYP716A392 C16β-羟化酶 催化 来自金盏花，催化Ψ-taraxasterol C16羟基化生成faradiol，也作用于β-amyrin和lupeol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoCYP716A393 C16β-羟化酶 催化 来自金盏花，与CoCYP716A392同源，功能类似
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoCYP716A431 C28氧化酶 催化 来自金盏花，催化β-amyrin和lupeol的C28氧化生成oleanolic acid和betulinic acid
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoACT1 酰基转移酶 催化 来自金盏花，催化faradiol与脂肪酸酯化生成faradiol棕榈酸酯
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoACT2 酰基转移酶 催化 来自金盏花，与CoACT1同源，功能类似
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CoACT3 酰基转移酶 催化 来自金盏花，主要产生Ψ-taraxasterol/taraxasterol棕榈酸酯
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CarTXSS Ψ-塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自田野金盏花（Calendula arvensis），主要产物为Ψ-taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CcTXSS Ψ-塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自刺菜蓟（Cynara cardunculus），主要产生Ψ-taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 HaTXSS Ψ-塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自向日葵（Helianthus annuus），主要产生Ψ-taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 CeTXSS 塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自菊苣（Cichorium endivia），产生等量taraxasterol和Ψ-taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 TdTXSS 塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自婆罗门参（Tragopogon dubius），主要产生Ψ-taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 LsTXSS 塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自生菜（Lactuca sativa），产生等量taraxasterol和Ψ-taraxasterol
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 TkTXSS 塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自俄罗斯蒲公英（Taraxacum kok-saghyz），主要产生taraxasterol，是正选择分析中的代表性酶
Nicotiana benthamiana 三萜生物合成 TcTXSS 塔拉沙斯特醇合酶 催化 来自朝鲜蒲公英（Taraxacum coreanum），主要产生taraxasterol
Nicotiana benthamiana 甲羟戊酸途径 tHMGR 截短的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶 催化 来自燕麦（Avena strigosa），用于增强前体供应，提高三萜产量
Nicotiana benthamiana 基因表达调控 P19 基因沉默抑制子 调控 来自番茄丛矮病毒，抑制转录后基因沉默，增强异源基因表达

关键发现

  1. 金盏花提取物（50 μg/mL）使LPS诱导的TNF-α和IL-6释放分别降低46%和56%
  2. 射线花中 faradiol 肉豆蔻酸酯和棕榈酸酯含量分别为13.18和12.46 mg/g干重，占TFAE的77%
  3. 20 μM的faradiol和amidiol分别抑制IL-6释放59%和61%
  4. 在烟草中重建途径最高获得faradiol 2.34 μg/mg干重，是成熟金盏花（0.25 μg/mg）的9.4倍，是发育花蕾（0.61 μg/mg）的3.8倍
  5. TXSS起源于83-121百万年前
  6. CoMAS I367M+E371D双突变体产生Ψ-taraxasterol/taraxasterol水平与CoTXSS相似
  7. CoTXSS D385E+H492Q突变使主要产物从Ψ-taraxasterol转变为taraxasterol。

研究结论

本研究确认了C16羟基化三萜（如faradiol）及其脂肪酸酯是金盏花抗炎活性的关键成分，阐明了其完整的生物合成途径及其进化起源，并在烟草中成功重建了该途径，为未来可持续生物生产抗炎分子奠定了基础。