研究揭示白僵菌合成β-卡波林糖苷的进化与代谢机制

《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王成树研究组完成的题为A bacterial-like Pictet-Spenglerase drives the evolution of fungi to produce β-carboline glycosides together with separate genes的研究论文。该研究揭示了昆虫病原真菌球孢白僵菌获得细菌来源的水平转移（HGT）基因而合成β-卡波林生物碱及其糖苷的分子机理。

不同原核及真核生物能够合成结构多样的β-卡波林生物碱，分别具有重要的生物活性或医药价值。真菌来源的β-卡波林生物碱多有报道，但合成机理鲜有解析。不同细菌、植物及动物中鉴定到不同的皮氏反应酶（Pictet-Spenglerase，PS），可以色氨酸为底物合成β-卡波林骨架，而真菌来源的PS酶多不清楚。

该研究发现球孢白僵菌基因组中存在一个同海洋细菌PS酶高度同源的HGT基因（命名为Fcs1）。经大肠杆菌和酵母异源表达发现，该基因能够合成β-卡波林骨架；进一步在球孢白僵菌中过表达Fcs1，产物分离纯化与鉴定获得了系列β-卡波林生物碱及其糖苷化合物，多数为新结构化合物。研究将野生菌株与Fcs1过表达菌株进行比较转录组分析，获得多个差异表达的潜在P450基因。酵母表达及基因缺失分析证明，一个CYP684B2家族的基因（命名为Fcs2）可在多位点氧化β-卡波林骨架。同时，研究发现Fcs2的辅因子基因Fcs3。进一步，基因功能验证表明，一对串联的糖基-甲基转移酶基因负责羧基和多位点羟基的糖甲基化修饰，生成不同结构的β-卡波林糖苷（命名为bassicarbosides）。

不同于典型的真菌次级代谢基因成簇的结构特征，本研究鉴定的不同功能基因位于球白僵菌的不同染色体上，Fcs1相邻的CYP684A2家族基因虽不具有氧化β-卡波林骨架的活性，但同Fcs2具有高度的相似性，表现出围绕Fcs1基因而成簇的进化特征。此外，分析发现，球孢白僵菌近缘种中Fcs1同源基因不存在时，则其基因组中与Fcs2高度同源的P450不具有氧化活性。分子对接与位点突变证明，不含Fcs1的真菌中，Fcs2同源蛋白存在部分关键位点的差异。

该研究丰富了真菌来源的PS酶种类，揭示了关键HGT基因的获得可促进关联基因的功能性进化，获得了真菌次级代谢基因簇形成的过渡性证据。研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体项目和中国科学院前沿科学重点研究计划等的支持。