来源：Nat Commun | 编译：DNA Lab Space
东北刺人参（Oplopanax elatus）是五加科珍稀药用植物，其活性成分人参皂苷的合成机制长期未明。本研究首次组装了其染色体级基因组，系统揭示了达玛烯二醇合酶的进化路径，并基于该进化信息在异源宿主中成功重构了RK型人参皂苷的生物合成途径。这一工作不仅填补了东北刺人参基因组资源的空白，也为稀有皂苷的绿色制造开辟了合成生物学新路线。
研究背景
人参皂苷是五加科植物中一类具有显著药理活性的三萜皂苷，其中RK型人参皂苷属于经特殊修饰的稀有组分，在抗肿瘤、神经保护和免疫调节等方面展现出独特潜力。然而，RK型皂苷在天然植物中含量极低，传统提取受原料限制且污染严重，严重制约了其药物开发与临床应用。因此，解析其生物合成途径并借助合成生物学实现异源重构，成为该领域的关键突破口。
达玛烯二醇合酶（dammaradienol synthase，DS）是三萜生物合成途径中的关键环化酶，负责将2,3-氧化鲨烯催化转化为达玛烯二醇，该中间体进一步通过氧化、糖基化等修饰生成不同型别的皂苷。不同植物来源的DS在催化产物和底物构型上存在差异，但其分子进化机制及其与皂苷结构多样性之间的关系尚缺乏深入认识。东北刺人参作为我国东北地区特有的药用植物，含有多种结构新颖的达玛烷型三萜，是研究DS功能分化的理想材料。然而，由于缺乏高质量基因组信息，其生物合成基因的挖掘和进化分析受到极大限制。
研究方法
本研究采用多组学联合策略，构建了东北刺人参染色体级参考基因组。首先，研究者利用PacBio长读长测序和Illumina短读长测序相结合的方式，对野生东北刺人参叶片DNA进行了深度测序，并通过Hi-C技术辅助染色体挂载，最终获得了染色体级别的基因组组装结果。随后，基于从头预测、转录组证据和同源蛋白比对三种策略对蛋白编码基因进行了系统注释，同时结合非编码RNA、重复序列等注释信息，形成完整的基因组资源。
在进化分析层面，研究者以五加科及相关物种的基因组为背景，构建了高分辨率系统发育树，估算了东北刺人参与其他物种的分歧时间。在此基础上，重点开展了DS基因家族的全基因组鉴定与比较分析，结合最大似然法和位点模型检测了选择压力，并通过祖先序列重建推断关键氨基酸位点的演化状态。为了验证候选基因的功能，研究者从东北刺人参cDNA文库中克隆了多个DS同源基因，将其导入酿酒酵母工程菌株中，以2,3-氧化鲨烯为底物进行异源表达。代谢产物通过GC-MS和NMR进行结构鉴定，明确不同DS的催化产物类型。
进一步，研究者将具有新颖产物谱的DS基因与下游修饰酶（如细胞色素P450、UDP-糖基转移酶）进行模块化组装，在酵母底盘细胞中重构RK型人参皂苷的完整生物合成途径。通过优化启动子组合、基因拷贝数和发酵条件，最终实现了目标产物的从头合成，并采用LC-MS/MS对产物进行定量分析。
研究结果
基因组组装结果显示，东北刺人参基因组大小约为1.2 Gb， scaffold N50达到染色体级别，共挂载到12条假染色体上。重复序列占基因组比例较高，注释获得约3.5万个蛋白编码基因。系统发育分析表明，东北刺人参位于五加科较为基干的位置，与同科的人参属植物存在明显分化，这为理解三萜代谢多样性提供了演化框架。
在DS基因家族的进化分析中，研究者共鉴定到10个DS相关序列，其中6个具有完整的催化结构域。选择压力分析和祖先序列重建揭示，DS基因在五加科中经历了两轮基因复制事件，其中东北刺人参特有的一个DS旁系同源基因发生了关键氨基酸位点的正选择。体外功能实验证实，该基因编码的酶不同于人参DS仅产生达玛烯二醇，而是同时催化生成达玛烯二醇及其C-20立体异构体——这类异构体正是RK型皂苷的前体。这一发现表明，DS的底物-产物立体选择性进化是导致不同皂苷型别生成的分子基础。
在合成生物学重构实验中，研究者将这一独特的DS基因与一组来源于人参的P450酶和糖基转移酶组合，在酵母中构建了RK型人参皂苷的异源合成途径。经过模块化优化和发酵条件调控，RK型人参皂苷的产量达到毫克/升级别。LC-MS/MS分析确认了产物与天然标准品的结构和立体构型完全一致。该结果首次证明了基于进化信息指导的酶筛选能够有效驱动复杂天然产物的异源重构。
进一步的代谢分析显示，重构菌株中除目标RK型皂苷外，还积累了一定量的中间体达玛烯二醇，表明碳通量在DS下游存在瓶颈。研究者通过增加下游P450酶的表达量和调整辅因子供应，使前体转化率提升了约2.3倍。此外，基因组共线性分析还发现，东北刺人参中存在一个包含DS基因在内的三萜代谢基因簇，其组织表达模式与皂苷积累部位具有较高的相关性，提示该基因簇可能协同参与RK型皂苷的天然合成。
讨论与展望
本研究通过东北刺人参基因组解析，揭示了达玛烯二醇合酶在立体选择性产物决定中的关键进化事件，并成功将其知识转化为合成生物学应用。该工作不仅丰富了我们对五加科植物三萜代谢进化的理解，也展示了一条从基因组挖掘、功能验证到异源重构的研究范式。值得注意的是，RK型皂苷前体在天然植物中极为罕见，而本研究发现其合成可能源于DS基因复制后的亚功能化与正选择，这一进化视角对未来精准设计催化元件具有重要参考价值。
尽管当前酵母中的产量尚处于毫克级，距离工业化生产仍有距离，但该研究为后续通过蛋白质工程改造DS、优化代谢网络以及扩大底盘细胞容量提供了清晰的切入点。未来进一步解析DS的三维结构及催化机制，将有助于实现更高效的酶定向进化。此外，东北刺人参基因组中的代谢基因簇也值得深入挖掘，可能隐藏着更多负责稀有皂苷修饰的酶资源。可以预见，随着基因组学与合成生物学的深度融合，以东北刺人参为代表的珍稀药用植物有望成为可持续生产高值天然产物的“分子智造工厂”。
参考来源
Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-025-XXXXX（原文未提供完整DOI，请以期刊官网为准）