CYP76AK의 기능적 차이는 abietane의 화학 다양성을 형성합니다

Mar 28, 2024

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4696(2023) 이 기사 인용

42 액세스

측정항목 세부정보

꿀풀과(Lamiaceae) 속은 주요 활성 화학 그룹 중 하나인 테르페노이드와 함께 수많은 독특한 약초로 구성되어 있습니다. 탄시논 및 카르노산과 같은 Abietane 유형 디테르페노이드(ATD)는 Salvia에 특유하며 계통 간에 분류학적 화학적 다양성을 나타냅니다. ATD 화학적 다양성이 어떻게 진화했는지 밝히기 위해 우리는 효소 기능, 조상 서열 및 화학적 특성 재구성, 비교 유전체학 실험과 결합된 71종의 샐비어 종에 대한 대규모 대사 및 계통발생 분석을 수행했습니다. 이 통합 접근법은 샐비어의 계통 전반에 걸친 ATD 다양성이 시토크롬 P450 하위 계열 CYP76AK의 기능적 분기로 인해 발생한 C-20의 테르페노이드 골격 산화의 차이에 의해 유도되었음을 보여주었습니다. 이러한 발견은 효소 활성 및 관련 촉매 경로의 상실로 인해 형성된 식물의 화학적 다양성의 독특한 패턴을 제시합니다.

식물 유래 천연물은 약리학 연구 및 건강 관련 제품 개발에 귀중한 자원이며, 그 구조적 다양성은 다양한 생물학적 활동과 관련이 있습니다1. Taxus chinensis (Pilg.) Rehder에서 얻은 디테르페노이드 알칼로이드인 Taxol과 Artemisia annua L.에서 파생된 세스퀴테르페노이드인 Artemisinin은 각각 탁월한 항암 및 항말라리아 효과로 인해 전 세계적으로 많은 주목을 받아 왔습니다2,3. 천연물에 대한 수요가 높기 때문에 대사 공학을 통해 특정 화합물을 얻는 접근 방식이 주요 추세가 되었으며, 이에 따라 생합성 경로를 밝히고 이러한 경로에 관련된 주요 유전자를 식별해야 합니다.

식물에서 얻은 대부분의 천연물은 특수한 대사산물입니다. 그러나 경로가 복잡하고 여러 단계를 포함하는 경우 생합성 경로를 밝히는 것이 제한되어 관련 유전자를 식별하기가 어렵습니다4. 일반적으로 식물에 특화된 대사산물의 출현은 생물학적 및 비생물적 스트레스로부터 식물을 보호하는 진화된 방어 메커니즘이며 화학적 다양성은 골격의 다양성과 화학적 변형에 반영됩니다5. 일반적으로 유사한 골격은 상동 식물 내의 유사한 생합성 경로에서 파생됩니다. 그러나 다양한 화학적 변형(예: 글리코실화, 메틸화, 수산화, 아실화, 프레닐화)이 적용된 동일한 골격을 기반으로 하는 천연 생성물은 종 내에서 다양합니다. 이러한 구조적 변형은 식물이 성장과 발달을 위해 외부 환경 변화에 어떻게 반응하는지에 중요한 역할을 합니다6.

최근 오믹스 기술의 급속한 발전을 고려하면 이제 계보 규모에서 대사산물의 진화적 기원, 분포 및 구성을 추적하는 것이 가능하며, 고대 또는 새로운 기능뿐만 아니라 생합성 경로의 출현 및 방사에 대해 밝힐 수 있습니다. time8 예를 들어 민트 식물 게놈 프로젝트는 꿀풀과9에서 휘발성 테르페노이드의 분포 패턴을 조사하고 다양한 계통에 걸쳐 이리도이드 경로의 방사선을 조사함으로써 이와 관련하여 상당한 기여를 했습니다10. 그들은 또한 Nepeta 계통에서 네페탈락톤 생합성의 손실과 그에 따른 재진화 뒤에 숨은 메커니즘에 대한 통찰력을 가져왔습니다11. 또 다른 매우 대표적인 사례는 Papaver(Papaveraceae) 속 모르피난의 기원입니다. Papaver 게놈 사이의 STORR 유전자 융합 사건과 상관된 전체 게놈 복제(WGD), 염색체 재배열 및 하위 게놈 진화12,13,14를 추적함으로써 이 특수 대사산물의 혁신이 입증되었습니다. 따라서 종 전반에 걸쳐 천연물 다양성을 형성하기 위한 유전적 메커니즘을 확립하는 것은 대사 공학 및 분자 육종을 위한 합성 요소를 제공하는 경로를 이해하는 데 매우 중요합니다.