近日，上海辰山植物園(中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心辰山科學(xué)研究中心)徐萍團(tuán)隊(duì)在國際知名學(xué)術(shù)期刊Plant Communications發(fā)表最新研究成果，題為：“A dual-substrate methyltransferase catalyzes consecutive methylation reactions converting proline to stachydrine inLeonurus japonicus”。

該研究首次解析了藥用植物益母草中另一主要活性成分——水蘇堿(stachydrine) 的生物合成路徑，發(fā)現(xiàn)并鑒定出關(guān)鍵限速酶 MT37，揭示了它具有獨(dú)特的“雙底物甲基轉(zhuǎn)移活性”，為這一“懸而未解”的代謝之謎畫上句號(hào)。

水蘇堿是什么?它為何重要?

益母草是我國傳統(tǒng)藥材，被譽(yù)為“血家圣藥”，收錄在《中國藥典》，沿用至今已有兩千多年歷史。

其主要功效來自兩種活性成分：益母草堿(leonurine) 和 水蘇堿(stachydrine)。

水蘇堿是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功能多樣的天然分子，不僅存在于藥用植物中，也廣泛存在于動(dòng)植物和微生物體內(nèi)。在植物中，它是一種“滲透調(diào)節(jié)因子”(osmoprotectant)，能夠在干旱、高鹽、低溫等逆境下調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓、保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，是植物抵御逆境的“隱形保護(hù)傘”。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水蘇堿同樣表現(xiàn)出強(qiáng)大的活性，具有心血管保護(hù)、抗炎、抗氧化、抗纖維化等多重功效，被認(rèn)為是極具開發(fā)潛力的天然藥物成分。

然而，自20世紀(jì)50年代提出“水蘇堿可能由脯氨酸經(jīng)連續(xù)甲基化生成”的假說以來，其真正的合成機(jī)制和關(guān)鍵酶一直未被驗(yàn)證。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)比不同植物發(fā)現(xiàn)，益母草不僅水蘇堿含量最高，而且其基因組信息完整，因此成為破解這一謎題的理想研究對(duì)象。

圖1.水蘇堿在益母草(A)中含量顯著高于其他植物(B);(C)推測(cè)的合成路徑與本研究驗(yàn)證的真實(shí)合成路徑。

科學(xué)家如何揭開謎底?

研究團(tuán)隊(duì)以益母草為研究對(duì)象，基于轉(zhuǎn)錄組與代謝組數(shù)據(jù)，從54個(gè)候選甲基轉(zhuǎn)移酶基因中逐步篩選，最終鎖定關(guān)鍵限速酶 MT37。

通過體外酶活實(shí)驗(yàn)、在大腸桿菌和煙草中異源表達(dá)、病毒誘導(dǎo)基因沉默、毛狀根過表達(dá)及分子對(duì)接分析等多種手段，科學(xué)家系統(tǒng)揭示了MT37的功能。

結(jié)果表明，MT37不僅能催化N-甲基脯氨酸(N-Pro)向水蘇堿的轉(zhuǎn)化，還能直接在植物體內(nèi)將脯氨酸連續(xù)甲基化生成水蘇堿，展現(xiàn)出“雙底物連續(xù)催化活性”。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)建模表明，MT37的活性中心可同時(shí)結(jié)合兩種底物，是一種前所未見的“雙功能甲基轉(zhuǎn)移酶”。

圖2. MT37的功能驗(yàn)證與催化機(jī)制示意圖。

研究意義：從天然代謝到未來應(yīng)用

MT37的發(fā)現(xiàn)，不僅揭開了水蘇堿在植物體內(nèi)的生成機(jī)制，也為科學(xué)家提供了合成生物學(xué)與植物分子育種的新工具。

未來，這一研究成果可望用于：

藥物與保健品開發(fā)：通過微生物或植物體系實(shí)現(xiàn)水蘇堿的高效、綠色合成;

作物抗逆育種：利用MT37增強(qiáng)植物的耐鹽、耐旱等環(huán)境適應(yīng)性;

值得一提的是，這項(xiàng)研究也是繼徐萍團(tuán)隊(duì)2024年在Molecular Plant發(fā)表益母草堿(leonurine)合成路徑后取得的又一突破。至此，益母草兩種代表性活性生物堿的完整生物合成途徑均已揭示，標(biāo)志著辰山團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了系統(tǒng)完整的益母草生物堿代謝研究體系。

研究團(tuán)隊(duì)與支持

該研究由上海辰山植物園/上海植物功能基因組與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合完成。

論文第一作者為何澤坤(中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究生)與宋苡寧(辰山植物園—上海師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生)，通訊作者為徐萍副研究員。辰山植物園龍應(yīng)濱(辰山植物園—福建農(nóng)林大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生)、劉盼、李鵬、崔孟穎、陳慧茹、高云等做出重要貢獻(xiàn)，李健戌副研究員、趙清研究員、胡永紅園長(zhǎng)參與部分研究工作及指導(dǎo)。

本研究獲得上海市“東方英才”鄉(xiāng)村振興?！r(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目、上海市綠化和市容管理局辰山專項(xiàng)基金及上海市中央引導(dǎo)地方科技創(chuàng)新專項(xiàng)的資助。

研究團(tuán)隊(duì)特別感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)向成斌教授在研究思路與結(jié)果論證方面的指導(dǎo)，感謝辰山植物園代謝平臺(tái)孔羽博士在代謝檢測(cè)分析中的技術(shù)支持，感謝中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心代謝平臺(tái)徐曉燕博士與高原原老師在樣品處理與數(shù)據(jù)分析方面的幫助，同時(shí)感謝辰山植物園顏夢(mèng)曉博士和趙苑秀同學(xué)在實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備與樣品處理中的協(xié)助。