前沿 | 安捷伦质谱助力解析穿心莲内酯完整合成通路

2025 年 5 月 14 日，中国中医科学院中药研究所孙伟团队、中国医学科学院药物研究所贾美荣团队与成都中医药大学本草基因组学研究院陈士林院士团队在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition，影响因子 16.6）在线发表题为“Completing the Biosynthesis of the Clinically Important Diterpenoid Andrographolide in Andrographis paniculata”的研究论文。该研究通过多组学联合分析（基因组-转录组-代谢组），结合本氏烟草（Nicotiana benthamiana）瞬时表达系统及酵母微粒体体外催化实验，成功从穿心莲中鉴定出 4 个参与生物合成的细胞色素 P450 酶（CYP450s），首次完整解析了穿心莲内酯的生物合成途径，并实现该药物在烟草体系中的异源合成。

研究背景

穿心莲内酯（andrographolide）是从爵床科植物穿心莲（Andrographis paniculata）中提取的 ent- 半日花烷型二萜类单体化合物，具有显著的抗炎活性，其工业化生产目前仍完全依赖植物提取。虽然穿心莲内酯的二萜骨架 ent-copalyl diphosphate（ent-CPP）已实现生物合成，但其后续的氧化修饰机制长期未被阐明。

研究结果

团队前期研究表明，穿心莲内酯的生物合成受到茉莉酸甲酯（MeJA）的诱导。茉莉酸甲酯处理条件下，骨架合成基因 ApCPS2 表达模式和穿心莲内酯积累模式一致。通过将茉莉酸甲酯处理后基因组注释的 CYP450s 基因和 ApCPS2 进行相关性分析，在 r>0.85 阈值下筛选到 20 个与 ApCPS2 表达高度相关的 CYP450 候选基因（图 1）。

图 1. A 穿心莲植物照片 B.MeJA 处理后穿心莲幼苗中代谢物分析。C. 生物合成途径示意图。D. 穿心莲注释 CYP450s 和 ApCPS2 表达水平之间的 Pearson 相关系数（r>0.85）。

将候选 CYP450s 逐一与 ent-copalol 合成基因（AstHMGR，AgGGPPS 和 ZmCPS2）在烟草中进行瞬时表达发现，仅有 ApCYP71D587 和 ApCYP71BE50 可催化 ent-copalol 产生新化合物。通过分离纯化确认 ApCYP71D587 催化 ent-copalol 形成 19-hydroxy-ent-copalol；ApCYP71BE50 催化 ent-copalol 生成了主产物 ent-15，16-epoxy-labda-8（17），13（14）-diene、ent-15，16-epoxy-labda-8（17），13（16），14-triene 以及副产物 19-dehydroxy-andrograpanin（图 3）；考虑到 ApCYP71BE50 能够催化 ent-copalol 形成内酯环，研究人员将 ApCYP71D587、ApCYP71BE50 以及 ent-copalol 合成基因在烟草中进行了共注射，确认在烟草中生成了合成路径中的关键中间体—新穿心莲内酯苷元（andrograpanin）（图 2）。

图 2. 穿心莲内酯合成示意图

随后，以新穿心莲内酯苷元作为底物对其余 CYP450s 进行功能验证发现，ApCYP706U5 催化新穿心莲内酯苷元生成 14-deoxyandrographolide；ApCYP72F1 可催化新穿心莲内酯苷元生成 3-dehydroxy-andrographoide（图 3）。进一步将 ApCYP706U5 和 ApCYP72F1 与新穿心莲内酯苷元合成基因在烟草叶片共表达后观察到了穿心莲内酯（andrographoide）的生成（图 2）。

图 3. 药用植物穿心莲中穿心莲内酯生物合成推测路径

研究结论

利用安捷伦的气质和液质产品，研究人员在酵母微粒体催化实验中进一步验证了上述 P450 的催化功能。同时，利用烟草瞬时转化进一步验证了上述四个 P450 对不同底物的催化功能，提出了穿心莲内酯在药用植物穿心莲中可能存在生物合成路径（图 3）。该研究成果为理解二萜类次生代谢产物的生物合成、穿心莲内酯及其衍生物的异源生物制造和穿心莲新品种培育奠定了基础。

专家团队

中国中医科学院中药所道地药材品质保障与资源持续利用全国重点实验室孙伟研究员、协和医学院药物所贾美荣研究员、成都中医药大学陈士林院士为该论文的通讯作者。本草基因组学团队负责人陈士林院士 2022 年组织发布了千种本草基因组研究计划，在《创新》（The Innovation）、《自然-植物》（Nature Plants）、《分子植物》（Molecular Plant）、《自然-通讯》（Nature Communications）等国际著名刊物发表了一系列的草药基因组学研究成果，极大地推动了学术界从分子遗传学层面理解中草药中有效成分的合成、转运、积累和调控，助力天然产物药物的绿色生物合成以及高含量药效成分品种的精准选育。该研究得到了安捷伦科技公司提供全程质谱仪器（GC/Q-TOF、LC/Q-TOF）和技术支持。

参考文献

[1] Sun W, Wang S, Liang M, et al. Completing the Biosynthesis of the Clinically Important Diterpenoid Andrographolide in Andrographis paniculata[J]. Angewandte Chemie, e202425303.

标签：安捷伦质谱