Установлен биосинтетический механизм протобербериновых алкалоидов из Coptis chinensis

Протобербериновые алкалоиды — это группа тетрациклических изохинолиновых соединений с известными антимикробными и противовоспалительными свойствами. Хотя они широко распространены в различных семействах растений, виды рода Coptis являются выдающимися продуцентами этих алкалоидов как по количеству, так и по разнообразию.

В новом исследовании авторы идентифицировали ключевые ферменты, ответственные за синтез различных протобербериновых алкалоидов у Coptis chinensis.

Ключевые ферменты и пути биосинтеза

• CcCYP719A1 — фермент, способный формировать метилендиокси-мостик либо на кольце-A, либо на кольце-D протоберберинового остова, направляя поток метаболитов к синтезу различных компонентов.
• CcCYP719A2 и CcCYP719A3 — ферменты, прошедшие позитивный отбор после отделения от CcCYP719A1 и сохранившие специфическую каталитическую активность в отношении кольца-D.
• CcOMT1 (C-2 O-метилтрансфераза) и CcTHBO (флавин-зависимая оксидаза) — ферменты, катализирующие окислительную реакцию на кольце-C у широкого спектра промежуточных продуктов биосинтеза. Их идентификация позволила прояснить путь биосинтеза коптизина и эпиберберина.
• Cc6DM2 и Cc6DM3 — деметилазы, обнаружение которых окончательно разрешило многолетние споры о пути биосинтеза ятроризина. Эти ферменты объясняют отсутствие O-метилирования на C-3 ятроризина, которое уже присутствует в (S)-скулерине — общем предшественнике протобербериновых алкалоидов.

Выводы и перспективы

Исследование демонстрирует, что разнообразие протобербериновых алкалоидов возникает не за счёт специфических ферментов для отдельных путей, а благодаря совместной работе универсальных модифицирующих ферментов. Эти ферменты катализируют разветвляющиеся реакции от различных промежуточных продуктов.

• Образовавшаяся сеть метаболитов протоберберина открывает значительные перспективы для направленного биосинтеза этих компонентов и их производных в клетках-хозяевах.
• Деметилирующая активность Cc6DM2 и Cc6DM3 позволяет возвращать модифицированные промежуточные продукты в другие пути биосинтеза. Таким образом, деметилазы могут сотрудничать с O-метилтрансферазами, регулируя состав "хранилища" алкалоидов через стратегию настройки "метилирование-деметилирование".
• Выполняя двойную роль в биосинтезе и процессе настройки состава, Cc6DM2 и Cc6DM3 могут представлять собой точку пересечения биосинтеза и регуляции.

Авторы предполагают, что реальная биосинтетическая способность C. chinensis недооценена, а ограниченная доступность субстратов не позволила полностью оценить её in vitro. Неидентифицированные протобербериновые алкалоиды составляют "тёмную материю" в этом хранилище.

Исследование "A biosynthetic network for protoberberine production in Coptis chinensis" опубликовано в журнале Horticulture Research.