Characterization of the horse chestnut genome reveals the evolution of aescin and aesculin biosynthesis
- 作者
- Wei Sun, Qinggang Yin, Huihua Wan, Ranran Gao, Chao Xiong, Chong Xie, Xiangxiao Meng, Yaolei Mi, Xiaotong Wang, Caixia Wang, Weiqiang Chen, Ziyan Xie, Zheyong Xue, Hui Yao, Peng Sun, Xuehua Xie, Zhigang Hu, David R. Nelson, Zhichao Xu, Xinxiao Sun, Shilin Chen
- 杂志
- Nature Communications（2023）
- DOI
- 10.1038/s41467-023-42253-y
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析七叶树中药用成分七叶皂苷（aescin）和七叶苷（aesculin）的生物合成途径及其基因组进化机制。
研究策略
组装七叶树染色体级基因组，结合代谢物组学、共表达网络和基因簇分析挖掘候选基因；通过异源表达和体外酶活鉴定功能；利用比较基因组学解析BGC进化；构建大肠杆菌人工途径实现七叶苷的从头合成。
核心内容
研究人员组装了七叶树染色体级基因组，大小470.02 Mb、N50为2.05 Mb，锚定到20条假染色体并注释出36,557个基因。通过代谢物组学、共表达网络和基因簇分析，结合异源表达与体外酶活鉴定，解析了七叶皂苷和七叶苷的生物合成途径。研究发现约30.8百万年前发生的Aesculus特异全基因组复制事件促成了两个三萜生物合成基因簇的形成；功能验证中，AcOSC6被鉴定为β-amyrin合酶，AcCYP716A275和AcCYP716A278分别催化C-16α和C-21β羟基化，AcCSL1负责C-3葡萄糖醛酸基化，AcBAHD6催化C-22乙酰化并可转化desacetylasecin I为escin Ia。针对七叶苷合成，鉴定了两个糖基转移酶AcUGT92G7（Km=48.96 μM）和AcUGT84A56（Km=177.25 μM），并在大肠杆菌中重构人工途径实现七叶苷从头合成，72小时产量达16.3±0.7 mg/L。比较基因组学还揭示BAT基因簇起源于早期被子植物，并在七叶树亚科中组装完整。该工作为通过合成生物学手段生产这些药用三萜和香豆素类成分奠定了基础。
创新点
首次报道七叶树染色体级基因组；发现Aesculus特异全基因组复制事件导致两个三萜BGC形成；鉴定五步七叶皂苷生物合成关键酶；实现七叶苷在大肠杆菌中从头合成；揭示BAT BGC在被子植物中的进化轨迹。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 本氏烟草（瞬时表达） | 三萜生物合成 | AcOSC6 | β-香树脂醇合酶 | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成β-amyrin（7） |
| 本氏烟草（瞬时表达）/酿酒酵母 | 三萜生物合成 | AcCYP716A275 | 细胞色素P450 CYP716A275 | 催化 | 催化β-amyrin C-16α羟基化生成16α-羟基-β-amyrin（8） |
| 本氏烟草（瞬时表达）/酿酒酵母 | 三萜生物合成 | AcCYP716A278 | 细胞色素P450 CYP716A278 | 催化 | 催化β-amyrin C-21β羟基化生成21β-羟基-β-amyrin（9） |
| 酿酒酵母（WAT11株） | 三萜皂苷生物合成 | AcCSL1 | 纤维素合酶类似蛋白CSL1 | 催化 | 催化protoaescigenin（1）C-3位葡萄糖醛酸基化生成10 |
| 大肠杆菌 | 七叶皂苷生物合成 | AcBAHD6 | BAHD酰基转移酶6 | 催化 | 催化22-O-乙酰化，生成22-O-acetylprotoaescigenin（11），并催化desacetylasecin I（12）生成escin Ia（2） |
| 大肠杆菌 | 七叶皂苷生物合成 | AcBAHD3 | BAHD酰基转移酶3 | 催化 | 也可催化1乙酰化和12生成2，但转化率低于AcBAHD6 |
| 大肠杆菌 | 苯丙烷/香豆素生物合成 | Ac4CL1/2/3 | 4-香豆酸CoA连接酶 | 催化 | 催化咖啡酸（13）生成咖啡酰辅酶A（14），其中Ac4CL2活性最高 |
| 大肠杆菌 | 香豆素生物合成 | AcF6'H1/2 | 阿魏酰辅酶A 6'-羟化酶 | 催化 | 催化咖啡酰辅酶A生成esculetin（4），AcF6'H2催化效率最高 |
| 大肠杆菌 | 香豆素生物合成 | AcUGT92G7 | UDP-糖基转移酶92G7 | 催化 | 催化esculetin（4）糖基化生成aesculin（5），Km=48.96 μM |
| 大肠杆菌 | 香豆素生物合成 | AcUGT84A56 | UDP-糖基转移酶84A56 | 催化 | 催化esculetin（4）糖基化生成aesculin（5），Km=177.25 μM |
关键发现
- 基因组组装大小470.02 Mb，N50长度2.05 Mb，锚定到20条假染色体，注释36,557个基因
- Aesculus特异WGD发生在约30.8±1.33 MYA
- 代谢物分析显示escin Ia和Ib在种子中含量最高，MALDI成像显示其在子叶中积累
- 功能验证AcOSC6为β-amyrin合酶，AcCYP716A275催化C-16α羟基化，AcCYP716A278催化C-21β羟基化，AcCSL1催化C-3葡萄糖醛酸基化，AcBAHD6催化C-22乙酰化并可转化desacetylasecin I为escin Ia
- 七叶苷合成中AcUGT92G7的Km=48.96 μM，AcUGT84A56的Km=177.25 μM
- 大肠杆菌从头合成七叶苷产量16.3±0.7 mg/L（72 h）
- 比较基因组学揭示BAT BGC起源于早期被子植物，在Hippocastanoideae中组装完整。
研究结论
本研究解析了七叶树基因组及七叶皂苷和七叶苷生物合成途径，揭示了其进化机制，为通过合成生物学手段生产这些药用成分奠定了基础。