2025-07-02 | 科研部 南科大黄安诚团队成功实现抗HIV活性分子雷公藤福定异源生物合成

近日，南方科技大学生命科学学院副教授黄安诚课题组在国际期刊 Nature Communications 发表题为“Divergent multifunctional P450s-empowered biosynthesis of bioactive tripterifordin and cryptic atiserenoids in Aconitum implies convergent evolution”的研究论文，揭示了雷公藤福定生物合成在毛茛科黄花乌头与卫矛科雷公藤植物中的趋同进化以及乌头属二萜的化感作用及其作为植物生长调节剂的开发应用潜力，为乌头属植物复杂结构二萜生物碱的下游生物合成通路解析奠定了基础。

该研究通过乌头属转录组挖掘，发现并表征了14个功能高度分化的细胞色素 P450 氧化酶，其中8个为具有多位点催化活性的多功能 P450 酶。这些 P450 氧化酶能够选择性氧化半日花烷二萜骨架的7个不同位点，驱动乌头属二萜结构多样化。研究团队进一步通过组合生物合成，成功实现抗HIV活性分子雷公藤福定（tripterifordin）及14种新型二萜化合物的异源生物合成。

图1 乌头属多功能P450驱动抗HIV分子雷公藤福定等活性二萜生物合成

研究团队首先从两种乌头属植物乌头（Aconitum carmichaelii）和黄花乌头（Aconitum coreanum）的转录组中系统挖掘鉴定了9个功能性的二萜合酶 DiTPS，能够催化生成映-阿替生烯（ent-atiserene）、映-贝壳杉烯（ent-kaurene）和16 α –羟基-映-贝壳杉烯（16α-hydroxy-ent-kaurene）三种二萜骨架，意味着乌头二萜生物碱可能来源于这三种前体骨架。

通过进一步筛选共表达的 P450 基因、进化树分析和基于本生烟草瞬时共表达的功能验证，研究人员从两种乌头属植物中鉴定到14种有催化活性的细胞色素 P450 酶。这些P450酶序列功能高度分化，归属 CYP71、85和72大家族中的7个不同亚家族，能够在半日花烷二萜骨架（如 ent-atiserene 和 ent-kaurene）上7个不同位点（C3、C15、C16、C17、C18、C19和C20）引入12种不同区域和立体选择性的氧化修饰。其中8种 P450 酶（来自 CYP93A、CYP71A、CYP725A 和 CYP72A 亚家族）为多功能 P450 酶，能够催化一个底物多位点的氧化修饰。

研究人员利用组合生物合成成功获得和表征了19种氧化产物，包括14种新型的阿替生烷型二萜氧化产物，体现了 P450 酶具有很强的可塑性，可驱动乌头二萜结构多样化（图2）。利用AI辅助（AlphaFold2）预测的功能分化的 P450 酶蛋白结构比较和氨基酸定点突变，研究人员鉴定到了影响多功能 P450 酶功能分化和催化活性的关键位点，为揭示多功能 P450 酶功能分化机制提供了新见解，也为定向设计高效 P450 催化剂提供了重要依据。

图2 乌头属植物 P450 酶驱动的半日花烷型二萜化合物发散生物合成

由于16 α–羟基-映-贝壳杉烯可能为具有显著抗HIV活性的二萜化合物雷公藤福定（tripterifordin）的前体，且乌头属萜类合酶 AcoTPS3 能够合成16α–羟基-映-贝壳杉烯，因此研究人员利用从乌头转录组中挖掘到的萜类合酶和P450酶开展组合生物合成。通过 AcoTPS3 与催化 C19 和 C20 氧化的 P450酶（AcaCYP71A1、AcoCYP701A2 和 AcaCYP701A2-1）在烟草中进行瞬时共表达，研究人员成功合成了包括关附二萜甲（guan-fu diterpenoid A， T1）和雷公藤福定（tripterifordin，T7）在内的多种化合物（图3）。有趣的是，研究人员在毛茛科的黄花乌头块茎中可以检测到雷公藤福定（约1.2 mg/g干重）。这表明不仅卫矛科的雷公藤植物能够合成抗HIV的雷公藤福定，毛茛科的黄花乌头块也具备合成雷公藤福定的能力，揭示了雷公藤福定生物合成在雷公藤和黄花乌头两种进化关系甚远（分化时间约1300万年）的植物中的趋同进化现象。

图3  基于乌头属萜类合酶（TPS）和 P450 酶的雷公藤福定（T7）等二萜异源生物合成

由于该研究中发现的新颖二萜化合物结构与调控植物的生长激素赤霉素合成前体结构类似，研究人员怀疑这些新颖二萜化合物可能具有与赤霉素类似功能-影响植物生长。为了进一步揭示这些乌头属新颖二萜化合物的功能活性，研究人员选取和测试了几种映-阿替生烷型二萜氧化产物（ent-atiserenoids A10、A11、A13、A15）以及雷公藤福定（tripterifordin， T7）对拟南芥生长的影响，并用除草剂 paclobutrazol（PAC）作为阳性对照，赤霉素GA3作为阴性对照。结果显示乌头属酶产的五种化合物均能不同程度抑制拟南芥的生长，暗示着乌头属植物能够产生和分泌结构多样的二萜及二萜生物碱作为化感分子抑制临近植物的生长，占据更好的生态位（图4）。这些发现揭示了乌头属植物二萜类化合物的潜在生态学意义和应用潜力。

图4 乌头属二萜化合物具有抑制植物生长活性

南方科技大学生命科学学院博士生罗菲（已毕业）、研究助理教授周倩为论文共同第一作者，黄安诚为论文通讯作者，南科大为唯一通讯单位。原生命科学学院博士后陈飞龙、高级研究学者刘新宇，澳门科技大学副教授朱国元、华大基因丘璨瑜参与了该研究。本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、深圳华大生命科学研究院开放课题、深圳市植物基因工程与分子设计重点实验室和澳门科技大学中药质量控制国家重点实验室开放课题等项目支持。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-025-61188-0

供稿：生命科学学院

通讯员：邹冬霞、李沐涵

编辑：曾昱雯

主图：丘妍