来源：Mar Drugs | 编译：DNA Lab Space
**导语**
海参皂苷是棘皮动物海参体内特有的防御性次级代谢产物，不仅具有显著的抗肿瘤、免疫调节等药理活性，也是海参品质评价的关键指标。然而，其生物合成途径及分子调控机制长期处于“黑箱”状态。近期，Jiang等人在《Marine Drugs》发表的研究首次系统解析了仿刺参（*Apostichopus japonicus*）皂苷生物合成的完整分子通路，并揭示了关键转录因子的调控网络，为海洋活性物质的合成生物学研究和海参品质遗传改良奠定了关键分子基础。
研究背景
海参皂苷（sea cucumber saponins），又称海参素或海参苷，是一类以羊毛甾烷型三萜为骨架、经复杂氧化和糖基化修饰形成的三萜皂苷类化合物。迄今已从各类海参中分离鉴定出超过300种皂苷单体。它们通过破坏细胞膜完整性、诱导细胞凋亡等机制，展现出广谱的抗肿瘤、抗真菌、抗炎及免疫调节活性，是新型海洋药物研发的热点分子。在海参生物学层面，皂苷作为化感物质和化学防御武器，在抵御天敌、抑制致病微生物等方面发挥着不可替代的生态功能。
然而，与植物中三萜皂苷生物合成途径的广泛研究形成鲜明对比，动物体内三萜类化合物的合成机制研究极为匮乏。海参作为皂苷合成能力突出的海洋无脊椎动物，其体内究竟通过何种途径将乙酰辅酶A逐步转化为结构多样的皂苷分子，一直是食品科学和天然产物化学领域的悬而未决的问题。早期同位素示踪实验虽已初步证实仿刺参能够利用甲羟戊酸途径前体合成羊毛甾烷骨架，但从线性骨架到多样的三萜苷元核心，以及后续的氧化与多步糖基化过程所涉及的具体酶基因、代谢中间体及调控因子，几乎完全未知。该领域亟待从基因组和转录组层面开展系统解析，以打通“基因—酶—产物”的全链条。
研究方法
为全面揭示仿刺参皂苷生物合成的分子机制，研究团队设计了多组学联动的技术路线，将代谢物靶向分析、时间分辨转录组学、生物信息学预测与异源表达功能验证深度整合。
首先，研究人员利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）建立了仿刺参体壁、肠道及居维氏小管等不同组织中皂苷谱的高精度检测方法，对包括Apostichoposide A、Holotoxin A1等在内的10种主要皂苷单体进行了绝对定量，并结合非靶向代谢组学捕获了潜在的中间代谢产物堆积，初步勾勒出底物到终产物的代谢物轮廓。
在基因发现层面，团队选取皂苷含量显著不同的发育阶段（稚参、幼参、成参）及皂苷诱导剧烈释放的胁迫模型（物理刺激后不同时间点），进行了高通量RNA-seq转录组测序。通过对差异表达基因进行加权基因共表达网络分析（WGCNA），锁定了与皂苷含量高度正相关的“皂苷合成相关模块”。在此模块中，利用同源比对和系统发育分析，筛选出编码羟甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR）、角鲨烯合酶（SQS）、角鲨烯环氧化酶（SE）、氧化鲨烯环化酶（OSC）、细胞色素P450单加氧酶（CYP）和UDP-糖基转移酶（UGT）的全套候选基因。
功能验证采取“三步走”策略。第一，将推定的OSC和关键CYP基因在酵母表达系统中构建合成生物学底盘细胞。通过在酿酒酵母中重构从乙酰辅酶A到羊毛甾醇再到苷元holotoxigenin的简化路径，并以空载体和已知植物OSC为对照，确认仿刺参OSC的环化功能。第二，对特定CYP基因在海参原代体腔细胞中进行RNA干扰（RNAi）敲降，并通过代谢物分析观察苷元及终产物含量变化，直接证实其在活体内的羟化功能。第三，对UGT基因在烟草叶片中瞬时共表达，结合底物饲喂实验，解析糖基化的顺序和特异性。此外，启动子克隆、酵母单杂交（Y1H）和电泳迁移率变动分析（EMSA）被用于捕获上游调控因子，双荧光素酶报告基因实验则量化其转录激活强度。
研究结果
该研究首次描绘了仿刺参皂苷生物合成的完整分子图谱。研究证实，仿刺参采用经典的甲羟戊酸（MVA）途径提供皂苷骨架合成所需的前体异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。与高等动物仅维持基础水平的固醇合成不同，海参体内HMGR和SQS基因在转录水平即呈现组织特异性高表达，尤其在呼吸树和居维氏小管中表达量达体壁的20倍以上，从源头保证了碳通量高效流向三萜骨架。
在骨架环化环节，研究鉴定出一个关键的氧化鲨烯环化酶基因AjOSC1，其编码蛋白在体外酶活实验中定向催化2,3-氧化鲨烯生成羊毛甾醇，而非植物中常见的达玛烷型或环阿屯烷型产物，证明海参三萜骨架的起始环化路径与哺乳动物固醇合成共享进化起源，但随后发生了功能性特化。研究最核心的突破在于发现并功能验证了细胞色素P450酶基因簇AjCYP716A1和AjCYP716A2。AjCYP716A1负责在羊毛甾醇骨架的C-16位引入特征性α-羟基，而AjCYP716A2则进一步在C-18位进行单氧化，经过酵母异源共表达证明，二者级联作用生成的16α,18-二羟基羊毛甾醇正是仿刺参主要苷元的直接前体。同源建模和定点突变实验显示，这两个CYP酶活性空腔中的关键疏水残基突变，是海参将固醇合成中间体重新定向为皂苷苷元合成的分水岭事件。
在下游糖基化修饰中，研究者系统鉴定出4个UGT基因（AjUGT1–4），并阐明了分步糖基化顺序。AjUGT1和AjUGT2负责将木糖和葡萄糖依次连接到苷元C-3位羟基，形成核心二糖链；AjUGT3和AjUGT4则在C-18位新生成的羟基上添加甲基葡萄糖和硫酸化木糖，后者经烟草瞬时共表达与体外酶活联合验证。代谢组学提供的中间体证据完美吻合了这一顺序，确证了仿刺参皂苷通过“骨架氧化先行、糖基逐步添加”的分支途径合成，而非先糖基化后氧化。
在调控机制层面，研究揭示了一个新颖的“应激响应-皂苷合成”转录调控回路。物理刺激后，仿刺参体腔细胞中的活性氧（ROS）水平骤升，激活了转录因子AjNFE2L2（Nrf2同源物）。AjNFE2L2蛋白随即入核，直接结合在AjOSC1、AjCYP716A1及AjUGT1启动子区域的抗氧化响应元件（ARE）上，启动转录。双荧光素酶实验显示，AjNFE2L2可协同上调上述基因转录达5–8倍。此外，另一个组织特异性转录因子AjPPARγ在成参肠道和呼吸树中高表达，通过结合PPAR响应元件（PPRE）精细调控AjOSC1和HMGR的基线表达水平，决定了皂苷合成的主要部位。
讨论与展望
该研究突破了动物三萜类天然产物生物合成机制长期停滞的瓶颈，首次在无脊椎动物中将皂苷合成的基因元件、酶学功能、代谢中间体及上游调控因子完整串联。这不仅修正了“动物不具备复杂三萜皂苷合成能力”的传统认知，更从进化角度提出了有趣假说：仿刺参可能通过基因复制和功能分化，将保守的固醇合成途经重塑为皂苷生成支路，以适应底栖生活的化学防御需求。
在应用层面，该成果为海参皂苷的合成生物学制造提供了直接的基因元器件。在酿酒酵母或解脂耶氏酵母中重构并优化这一途径，有望实现稀有海参皂苷单体的绿色、可持续生产，摆脱对野生资源的依赖。在养殖业中，鉴定出的关键转录因子AjNFE2L2可作为分子标记，用于高皂苷含量海参品系的分子辅助选育，或通过养殖环境因子调控其表达，定向提升养殖海参的功能活性成分含量。
然而，目前对海参皂苷天然多样性的分子基础理解仍不完整。本研究主要聚焦于一类羊毛甾烷型苷元，而不同海参物种中多达数十种的苷元骨架如何由少数几种OSC和CYP酶衍生而来，尚需更广泛的比较基因组学和结构生物学解析。此外，UGT的糖供体特异性和区域选择性奥秘有待晶体结构解析来阐明。未来，结合基因组编辑技术对活体海参进行基因敲入和敲除，将能在个体层面确证这一途径的生态与生理功能。毋庸置疑，这项研究为海洋无脊椎动物天然产物生物合成打开了一扇窗，预示着更多动物来源活性分子的“造物密码”即将被破译。
参考来源
Jiang P, Gao S, Liu Y, Chen Z, Zhao L. Molecular Pathway and Regulatory Mechanism of the Saponin Biosynthesis in Sea Cucumber *Apostichopus japonicus*. *Marine Drugs*. DOI: （原文DOI信息待补充）