《Science》茄科植物防御类固醇生物合成的关键蛋白

马克斯普朗克化学生态学研究所的研究人员已经确定GAME15是调节茄属植物中甾体糖生物碱和甾体皂苷生物合成的关键蛋白。发表在《Science》杂志上的这项新研究表明，这种蛋白质对胆固醇前体形成这些天然产物至关重要。黑色茄属植物（Solanum nigrum）不再能够产生这种蛋白质，因此类固醇皂苷更容易受到诸如叶蝉和科罗拉多马铃薯甲虫等昆虫的影响。这些结果为生产用于医学应用的高质量甾体分子开辟了新的前景，并可能支持控制农业害虫的有针对性的策略。

　　

茄类植物（如土豆、西红柿和茄子）中特定甾体化合物的生物合成途径始于胆固醇。有几项研究调查了与甾体糖生物碱形成有关的酶。虽然已知负责产生甾体特化代谢物支架的基因，但尚未成功地在其他植物中重建这些化合物。由Prashant Sonawane（现任美国密苏里大学助理教授）领导的天然产物生物合成系“植物中的特殊类固醇代谢”项目组开始寻找这个谜题缺失的那一块。“在我们的研究项目中，我们特别想弄清楚迄今为止生物合成途径的哪些重要组成部分仍未被研究，以及这种基因或蛋白质在该途径中起什么作用。我们还想知道在确定缺失的成分后，我们是否可以重建生物合成途径。我们研究的一个重要方面也是发现更多关于植物中甾体皂苷的生态作用，”Prashant Sonawane说，描述了这项研究的问题。

GAME15，一种未知但在类固醇分子的生物合成中至关重要的参与者

研究小组使用野生植物龙葵（黑色龙葵）进行研究，因为它在不同的组织中产生不同的甾体化合物，所有这些化合物都来自相同的前体胆固醇。在叶子中，最重要的类固醇代谢物是一种叫做外苷B的皂苷，而在浆果中，最重要的化合物是类固醇糖生物碱，如α-太阳碱、α-太阳精氨酸和丙二醇太阳精氨酸。酶GAME6， GAME8和GAME11参与了这两种化合物的形成，在叶子和浆果中都有发现。使用共聚焦显微镜确定这些酶在细胞中的位置。通过生化和分子生物学分析，研究人员发现了一个负责一种名为GAME15的蛋白质的基因。虽然GAME15属于纤维素合酶样蛋白家族，但它在纤维素生产中没有功能。相反，它对甾体化合物的生物合成很重要，即使它不像其他酶那样具有催化功能。

“我们的蛋白质相互作用实验表明，GAME15与GAME6、GAME8和GAME11酶相互作用。这些酶负责胆固醇羟基化的第一步，导致糠醇-苷元（16,22,26-三羟基胆固醇）的形成，这是合成甾体皂苷和糖生物碱之间的关键分支点。该研究的主要发现之一、第一作者Marianna Boccia解释说：“使用GAME15基因被敲除的茄类植物，我们能够证明这些植物不再能够产生甾体糖生物碱和皂苷。”从茄属植物中提取的甾体化合物具有很大的医学应用潜力。

甾体皂苷和甾体糖生物碱是一类具有良好医学应用前景的化合物。例如，最近的研究表明，某些皂苷对治疗肝癌非常有效。甾体糖生物碱还具有抗癌特性，以及抗菌和抗炎活性。Prashant Sonawane说：“通过鉴定GAME15，我们能够重建异种宿主中甾体化合物的代谢途径，如烟叶，直到支架呋喃醇（甾体皂苷的前体）和索拉索丁（甾体糖生物碱的直接前体）。”在植物中重新合成具有医学意义的化合物，如烟叶（Nicotiana benthamiana），也被称为“pharming”，是“pharmaceutics”和“farming”的合成词。制药涉及使用具有综合生物合成途径的转基因植物生产药用化合物，以经济有效地大规模生产药物。因此，这项研究的结果为改进重要的类固醇化合物的生产开辟了可能性。

首次证明了皂苷在抵御食草动物中的生态作用

甾体糖生物碱是一种重要的植物防御物质。它们是典型的茄类植物的有毒化合物，在土豆、西红柿和茄子中也有发现。然而，它们的毒性可以通过削皮、烹饪或油炸大大降低。在西红柿中，糖生物碱在成熟过程中被分解，所以在红色的果实中几乎检测不到它们。然而，甾体皂苷在龙葵叶片中的生态作用尚不清楚。一个关键的线索来自温室团队，他们注意到GAME15基因敲除的植物，不能产生皂苷，比野生型植物更容易受到昆虫食草动物的影响。被这一观察结果所吸引，研究人员以两种天然龙葵害虫的喂养试验的形式进行了生态实验。在第一个实验中，两种食草昆虫，叶蝉Empoasca decipiens和科罗拉多马铃薯甲虫Leptinotarsa decemlineata，被要求在野生型植物的叶子（产生甾体皂苷）和Game15基因敲除植物的叶子（由于Game15基因敲除而不产生皂苷）之间做出选择。一周后，我们测量了昆虫造成的损害。结果清楚地表明，这两种食草昆虫几乎完全以基因敲除的叶子为食，表明它们比野生型的叶子更偏爱基因敲除的叶子。在第二个实验中，我们使用了一种“强制喂食”的生物测定法，特别是科罗拉多马铃薯甲虫。在这个测试中，我们把从野生型或基因敲除植物中分离出叶子的甲虫个体放在一起。仅仅六个小时后，甲虫就很容易以缺乏甾体皂苷的被淘汰的叶子为食，而它们在很大程度上避开了野生型的叶子，显然它们宁愿饿死也不愿进食，”Marianna Boccia说，她描述了甾体皂苷在植物防御中的作用的第一个证据。对于叶子和浆果中不同种类的化合物，一种可能的解释是，这些化合物专门用于保护不同的植物组织。叶子更容易受到食草动物的攻击，而浆果更容易受到病原体的感染。

“我们的发现强调了茄科植物如何将纤维素合酶之类的蛋白质从核心代谢作用（如纤维素生物合成）劫持为结构作用，这是植物防御病原体的专门化合物的生物合成所必需的。”该研究的资深作者、天然产物生物合成部主任Sarah O'Connor说：“这一发现为增强抗虫害能力的工程作物和生产重要的类固醇化合物以对抗癌症和其他疾病开辟了新的机会。”

A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants