三七是中國特有的名貴中藥材，具有“參中之王”、“金不換”之美譽?！侗静菥V目拾遺》記載：“人參補氣第一，三七補血第一，味同而功亦等，故稱人參三七，為中藥之最珍貴者”。三七的活性成分是各種皂苷，由于種植周期長，皂苷含量低，導致純化分離的皂苷單體價格高昂。不同皂苷具有不同的結構與活性，許多具有重要活性的稀有皂苷含量低于萬分之一甚至十萬分之一，傳統植物提取難以滿足市場需求，采用合成生物學“顛覆性技術”對稀有天然產物生產方式進行重大變革是目前國內外研究熱點。
近日，廣西科學院桂科學者謝能中帶領的合成生物學創新團隊與廣西大學生命科學與技術學院黃時海教授合作，開展三七皂苷生物合成機制研究并取得了突破，共同在國際合成生物學領域權威刊物ACS Synthetic Biology（中科院小類-生化研究方法1區）發表了題為Characterization of a group of UDP-glycosyltransferases involved in the biosynthesis of triterpenoid saponins of Panax notoginseng的研究論文，廣西科學院李檢秀博士為并列第一作者兼共同通訊作者，廣西大學碩士生李燕婷為并列第一作者，黃時海教授為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中國科學院科技服務網絡計劃項目和廣西自然科學基金的資助。
該研究工作主要在廣西科學院開展，先后對三七開展基因組學、轉錄組學和代謝組學前沿多組學關聯分析，利用生物信息學預測和鑒定到6個關鍵的糖基轉移酶（UGTPn17，UGTPn42，UGTPn35，UGTPn87，UGTPn19和UGTPn12）。對相關基因進行克隆表達和體外催化，結果表明，上述糖基轉移酶的催化位點涉及原人參二醇型皂苷（PPD型）的C3/20-OH和C3/20-O-Glc，原人參三醇型皂苷（PPT型）的C6/20-OH和C6/20-O-Glc，糖基供體包括UDP-葡萄糖和UDP-木糖，共負責下游21種皂苷的生物轉化（圖1）。其中，皂苷Rb3、Rc、R16、U、L、LXXV、XVII、FP1、Fe-Xyl和Fd-Xyl是首次利用三七來源的糖基轉移酶進行催化合成，皂苷Fe-Xyl和Fd-Xyl是首次發現的新皂苷；此外，該研究成功解析了三七中17種皂苷的生物合成途徑，其中皂苷L和R16的生物合成途徑是首次被解析。這項研究為其它植物的糖基轉移酶基因挖掘提供參考，也為后續利用合成生物學高效定向生產各種皂苷奠定基礎，同時為三七育種提供分子依據。
圖1 通過多組學關聯分析挖掘各種糖基轉移酶解析皂苷生物合成機制
（紅色實心箭頭代表本研究新闡明的糖基化反應；紅色、綠色和藍色圓球分別代表葡萄糖基、木糖基和阿拉伯糖基）
【撰稿：周蘭】
全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acssynbio.1c00469
