丹参酚酸和薯蓣皂苷生物合成基因的挖掘与分析

发布时间：2016-11-25 23:11

  本文关键词：丹参酚酸和薯蓣皂苷生物合成基因的挖掘与分析，由笔耕文化传播整理发布。

《北京协和医学院》 2015年

丹参酚酸和薯蓣皂苷生物合成基因的挖掘与分析

汪波  

【摘要】：植物在长期与自然界相互作用的过程中,逐渐进化产生大量结构与功能多样的小分子物质,其并不直接参与生物体生长发育,而被称为“次生代谢产物”。目前就世界范围而言,有超过30%治疗疾病的药物源自于这些能够产生具有药用价值次生代谢产物的药用植物。如以药用植物丹参为主要原料的复方丹参滴丸及以穿龙薯蓣为主要原料的地奥心血康胶囊在预防和治疗心血管疾病方面均具有很好的疗效。丹参为唇形科多年生草本植物,被广泛用于治疗炎症及心血管疾病等。其水溶性酚酸类物质,被认为是传统中药水煎剂的主要药用成分,尤其是迷迭香酸及其衍生物均具有很好的药用活性。近来研究表明,丹参中酚酸的生物合成途径与其它研究中所报道的略有不同。而对此差异的分子基础仍是未知,关于参与丹参酚酸生物合成途径相关基因仍有待进行全面系统分析。作为研究此复杂生物合成途径的第一步,针对当前丹参基因组对参与酚酸生物合成途径相关基因进行全面挖掘,共检索到29个基因,19个基因完全基于本实验室丹参基因组数据发现。在这些基因中有15个基因被认为是参与到苯丙烷途径,7个基因参与到酪氨酸衍生途径,6个基因编码羟基肉桂酰转移酶,以及一个CYP98A基因亚家族成员,其被命名为CYP98A78。进而对这些基因的启动子区域、基因结构及表达模式等都分别进行了分析,随后对由这些基因推导而来的蛋白质序列的保守结构域和系统进化关系也进行了描述。包括4-香豆酸：CoA连接酶、4-羟基苯丙酮酸还原酶和羟基肉桂酰转移酶在内的大部分关键酶的编码基因都发现在丹参基因组中存在多拷贝且具不同特性。经系统分析发现其中有10个基因可能参与迷迭香酸的生物合成途径。该结果为进一步深入分析该复杂多样的代谢通路提供基础,及利于使用遗传学手段提高丹参水溶性药用成分的合成,提高其产量。穿龙薯蓣为薯蓣科薯蓣属多年生缠绕草本植物,其提取物被报道具有抗癌、抗肥胖等效果,药用价值极高,近年来由于生境破坏及大量采挖导致资源骤减而被我国列为国家二级保护植物。其主要药用成分薯蓣皂苷具有抗肿瘤、抗炎、降血脂、溶血等多种重要活性,且是目前合成甾体激素类药物的主要原料,被誉为“药用黄金”。然而,对于其生物合成途径及该物种的基因信息仍知之甚少,对穿龙薯蓣基因数据的补充及薯蓣皂苷生物合成途径相关基因的系统分析是深入研究该合成途径的必经之路。首先,使用包括以叶绿体基因组作为超级条形码序列的DNA条形码技术对穿龙薯蓣样品进行了分子鉴定。然后,结合流式细胞仪技术及初步测序数据估算的方法对穿龙薯蓣基因进行评估,其大小约在500Mb,杂合度为1.02%。经基因差异表达分析发现了482个于根中特异性高表达的基因,对其进行GO功能富集分析发现其主要参与到胁迫响应和转录调控等。根据预测的薯蓣皂苷生物合成途径,发现18个基因可能与胆固醇的生物合成途径相关,其中有8个基因更适宜于作为候选基因用于进一步的研究。同时注释到182个P450候选基因,10个P450基因可能与薯蓣皂苷元的合成密切相关；还注释到47个糖基转移酶基因,9个在根中特异性高表达,其中有4个基因可考虑选作下一步深入研究的候选基因。对极显著差异表达的基因进行共表达网络构建,共获得15个模块,对每个模块都进行了GO功能富集,对其功能进行了初步探讨,发现这些可能参与薯蓣皂苷合成途径的基因分布在其中7个模块中,对于其密切相关的基因进行KEGG通路分析,获得大量可能参与其调控或上游途径的基因,以待进一步深入探究。最后,对薯蓣皂苷合成的重要中间产物的含量进行了测定,羊毛甾醇并未被检出,与基因分析结果相一致。本研究结果对薯蓣属植物的分子鉴定,基因组研究以及薯蓣皂苷生物合成途径及其调控的深入探索提供了参考。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q943.2;S567
【目录】：

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