子科生物報道：茄類植物（如土豆、西紅柿和茄子）中特定甾體化合物的生物合成途徑始于膽固醇。有幾項(xiàng)研究調(diào)查了與甾體糖生物堿形成有關(guān)的酶。雖然已知負(fù)責(zé)產(chǎn)生甾體特化代謝物支架的基因，但尚未成功地在其他植物中重建這些化合物。由Prashant Sonawane（現(xiàn)任美國密蘇里大學(xué)助理教授）領(lǐng)導(dǎo)的天然產(chǎn)物生物合成系“植物中的特殊類固醇代謝”項(xiàng)目組開始尋找這個謎題缺失的那一塊?！霸谖覀兊难芯宽?xiàng)目中，我們特別想弄清楚迄今為止生物合成途徑的哪些重要組成部分仍未被研究，以及這種基因或蛋白質(zhì)在該途徑中起什么作用。我們還想知道在確定缺失的成分后，我們是否可以重建生物合成途徑。我們研究的一個重要方面也是發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于植物中甾體皂苷的生態(tài)作用，”Prashant Sonawane說，描述了這項(xiàng)研究的問題。

GAME15，一種未知但在類固醇分子的生物合成中至關(guān)重要的參與者

研究小組使用野生植物龍葵（黑色龍葵）進(jìn)行研究，因?yàn)樗诓煌慕M織中產(chǎn)生不同的甾體化合物，所有這些化合物都來自相同的前體膽固醇。在葉子中，最重要的類固醇代謝物是一種叫做外苷B的皂苷，而在漿果中，最重要的化合物是類固醇糖生物堿，如α-太陽堿、α-太陽精氨酸和丙二醇太陽精氨酸。酶GAME6， GAME8和GAME11參與了這兩種化合物的形成，在葉子和漿果中都有發(fā)現(xiàn)。使用共聚焦顯微鏡確定這些酶在細(xì)胞中的位置。通過生化和分子生物學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個負(fù)責(zé)一種名為GAME15的蛋白質(zhì)的基因。雖然GAME15屬于纖維素合酶樣蛋白家族，但它在纖維素生產(chǎn)中沒有功能。相反，它對甾體化合物的生物合成很重要，即使它不像其他酶那樣具有催化功能。

“我們的蛋白質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)表明，GAME15與GAME6、GAME8和GAME11酶相互作用。這些酶負(fù)責(zé)膽固醇羥基化的第一步，導(dǎo)致糠醇-苷元（16,22,26-三羥基膽固醇）的形成，這是合成甾體皂苷和糖生物堿之間的關(guān)鍵分支點(diǎn)。該研究的主要發(fā)現(xiàn)之一、第一作者M(jìn)arianna Boccia解釋說：“使用GAME15基因被敲除的茄類植物，我們能夠證明這些植物不再能夠產(chǎn)生甾體糖生物堿和皂苷?！睆那褜僦参镏刑崛〉溺摅w化合物具有很大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。

甾體皂苷和甾體糖生物堿是一類具有良好醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景的化合物。例如，最近的研究表明，某些皂苷對治療肝癌非常有效。甾體糖生物堿還具有抗癌特性，以及抗菌和抗炎活性。Prashant Sonawane說：“通過鑒定GAME15，我們能夠重建異種宿主中甾體化合物的代謝途徑，如煙葉，直到支架呋喃醇（甾體皂苷的前體）和索拉索?。ㄧ摅w糖生物堿的直接前體）?！痹谥参镏兄匦潞铣删哂嗅t(yī)學(xué)意義的化合物，如煙葉（Nicotiana benthamiana），也被稱為“pharming”，是“pharmaceutics”和“farming”的合成詞。制藥涉及使用具有綜合生物合成途徑的轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥用化合物，以經(jīng)濟(jì)有效地大規(guī)模生產(chǎn)藥物。因此，這項(xiàng)研究的結(jié)果為改進(jìn)重要的類固醇化合物的生產(chǎn)開辟了可能性。

首次證明了皂苷在抵御食草動物中的生態(tài)作用

甾體糖生物堿是一種重要的植物防御物質(zhì)。它們是典型的茄類植物的有毒化合物，在土豆、西紅柿和茄子中也有發(fā)現(xiàn)。然而，它們的毒性可以通過削皮、烹飪或油炸大大降低。在西紅柿中，糖生物堿在成熟過程中被分解，所以在紅色的果實(shí)中幾乎檢測不到它們。然而，甾體皂苷在龍葵葉片中的生態(tài)作用尚不清楚。一個關(guān)鍵的線索來自溫室團(tuán)隊，他們注意到GAME15基因敲除的植物，不能產(chǎn)生皂苷，比野生型植物更容易受到昆蟲食草動物的影響。被這一觀察結(jié)果所吸引，研究人員以兩種天然龍葵害蟲的喂養(yǎng)試驗(yàn)的形式進(jìn)行了生態(tài)實(shí)驗(yàn)。在第一個實(shí)驗(yàn)中，兩種食草昆蟲，葉蟬Empoasca decipiens和科羅拉多馬鈴薯甲蟲Leptinotarsa decemlineata，被要求在野生型植物的葉子（產(chǎn)生甾體皂苷）和Game15基因敲除植物的葉子（由于Game15基因敲除而不產(chǎn)生皂苷）之間做出選擇。一周后，我們測量了昆蟲造成的損害。結(jié)果清楚地表明，這兩種食草昆蟲幾乎完全以基因敲除的葉子為食，表明它們比野生型的葉子更偏愛基因敲除的葉子。在第二個實(shí)驗(yàn)中，我們使用了一種“強(qiáng)制喂食”的生物測定法，特別是科羅拉多馬鈴薯甲蟲。在這個測試中，我們把從野生型或基因敲除植物中分離出葉子的甲蟲個體放在一起。僅僅六個小時后，甲蟲就很容易以缺乏甾體皂苷的被淘汰的葉子為食，而它們在很大程度上避開了野生型的葉子，顯然它們寧愿餓死也不愿進(jìn)食，”Marianna Boccia說，她描述了甾體皂苷在植物防御中的作用的第一個證據(jù)。對于葉子和漿果中不同種類的化合物，一種可能的解釋是，這些化合物專門用于保護(hù)不同的植物組織。葉子更容易受到食草動物的攻擊，而漿果更容易受到病原體的感染。

“我們的發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了茄科植物如何將纖維素合酶之類的蛋白質(zhì)從核心代謝作用（如纖維素生物合成）劫持為結(jié)構(gòu)作用，這是植物防御病原體的專門化合物的生物合成所必需的?！痹撗芯康馁Y深作者、天然產(chǎn)物生物合成部主任Sarah O'Connor說：“這一發(fā)現(xiàn)為增強(qiáng)抗蟲害能力的工程作物和生產(chǎn)重要的類固醇化合物以對抗癌癥和其他疾病開辟了新的機(jī)會?！?/p>

A scaffold protein manages the biosynthesis of steroidal defense metabolites in plants