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叶敏/乔雪课题组在植物碳糖基转移酶研究领域取得系列进展

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碳苷是一类具有重要生物活性的天然产物,也是多种常用中药的药效成分。通过化学合成方法构建C -糖苷键仍然存在一定的挑战。碳糖基转移酶(CGT)是催化形成C -糖苷键的生物合成关键酶,具有绿色、高效、选择性强等特点。然而,由于基因同源性低等原因,目前从植物发现的CGT报道较少,对中药来源植物的研究更少。近期,我院天然药物及仿生药物国家重点实验室叶敏/乔雪课题组为了解析中药活性成分的生物合成途径,在植物碳糖基转移酶及其催化机制研究领域取得了系列进展。

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从金莲花发现首个催化黄酮C-8位糖基化的碳糖基转移酶TcCGT1。牡荆苷、荭草苷等黄酮8-碳苷是清热解毒中药金莲花的主要活性成分。课题组通过基因挖掘与功能表征,发现TcCGT1能一步高效催化合成牡荆苷等36种碳苷类化合物,并且解析了第一个植物来源CGT酶的晶体结构(分辨率1.85Å)。进而初步阐明了TcCGT1催化C-O-糖基化的分子机制,并通过定点突变实现了由C-糖基化向O-糖基化的功能转变。以上结果作为Hot paper2019812日正式发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11513-11520)。药学院博士毕业生贺俊斌、基础医学院博士后赵鹏为论文共同第一作者,药学院叶敏教授、乔雪副教授、基础医学院云彩红教授为共同通讯作者。

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原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.201905505

从光果甘草发现新颖的C-6/8C-糖基转移酶GgCGTGgCGT能够催化弗洛丙酮单元发生连续两步C -糖基化反应生成双葡萄糖碳苷产物。课题组分别解析了GgCGT与根皮素、根皮素单碳苷两种底物,以及与UDP-GlcUDP-Gal两种糖基供体的复合物晶体结构,这是第一个双C-糖基转移酶的晶体结构。进而阐明了GgCGT糖供体选择性(D390等关键氨基酸与糖基4-OH之间的氢键作用)以及双C-糖基化的机制。以上研究工作于2020219日正式发表在J. Am. Chem. Soc.2020, 142, 3506-3512)。药学院博士生张梦、中国科学技术大学李福东副教授、药学院博士毕业生李凯为论文共同第一作者,药学院叶敏教授、乔雪副教授、马明研究员为共同通讯作者。

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原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12211

从黄芩、甘草等七种植物发现CGTa/b酶依次催化合成夏佛塔苷的新途径。夏佛塔苷是普遍存在于高等植物的黄酮双碳苷,具有抗病毒等活性,也是重要的植保素。本研究发现7种植物中夏佛塔苷均由CGTaCGTb两个碳糖基转移酶依次催化Glu-糖基化、Ara-糖基化而生成,这两个酶具有截然不同的底物与糖供体选择性,并通过RNAi与过表达实验证明了体内功能。进一步通过1163种植物的转录组分析,发现该糖基化途径很可能在高等植物普遍存在。最后,解析了5个酶的晶体结构,发现His24 (SbCGTa)His23 (SbCGTb)在两步碳糖基化过程中发挥重要的脱质子作用,同时根据活性口袋附近的11个差异氨基酸,设计多位点突变实现了SbCGTbSbCGTa的功能切换。以上结果于2020121日发表在PNAS2020, 117, 30816-30823)。药学院博士生王子龙、基础医学院博士生高浩萌为论文的共同第一作者,药学院叶敏教授、乔雪副教授为共同通讯作者,基础医学院云彩红教授指导晶体结构解析。

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原文链接:https://www.pnas.org/content/early/2020/11/12/2012745117

以上研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目、北京市杰出青年科学基金等资助。天然药物及仿生药物国家重点实验室仪器平台李勤、刘芬、王媛、袁霞、王静、王倩、师晓萌、贾红丽等老师在NMRSPR、氢氘交换质谱、晶体衍射等实验中提供了重要帮助。

导师介绍:

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叶敏,澳门新浦京8455com教授,天然药物及仿生药物国家重点实验室课题组长,生药学专业博士生导师。主要研究领域为中药药效物质、天然产物生物合成与生物催化,关注甘草等常用中药及其活性成分的研究。发表SCI论文200余篇,被引用5000余次,获批专利10项。目前担任J. Ethnopharmacol.J. Pharm. Biomed. Anal.等杂志的副主编或编委,兼任国家药典委员。

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乔雪,澳门新浦京8455com副教授,生药学专业博士生导师。北京大学博士,英国约翰英纳斯中心访问学者。入选北京市杰出青年基金、中国科协托举人才计划。研究兴趣为中药活性成分分析及生物合成。在P. Natl. Acad. Sci. USAJ. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Anal. Chem.Nat. Prod. Rep.等期刊发表第一或通讯作者SCI论文50篇,被引用1500余次。目前担任Fitoterapia 期刊副主编。

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叶敏/乔雪课题组合影

天然药物及仿生药物国家重点实验室

叶敏/乔雪课题组 供稿

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