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。雖然已知負責產(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)任美國密蘇里大學助理教授）領(lǐng)導的天然產(chǎn)物生物合成系“植物中的特殊類固醇代謝”項目組開始尋找這個謎題缺失的那一塊?！霸谖覀兊难芯宽椖恐校覀兲貏e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）進行研究，因為它在不同的組織中產(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胞中的位置。通過生化和分子生物學分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個負責一種名為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)相互作用實驗表明，GAME15與GAME6、GAME8和GAME11酶相互作用。這些酶負責膽固醇羥基化的第一步，導致糠醇-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。該研究的主要發(fā)現(xiàn)之一、第一作者Marianna 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)濟有效地大規(guī)模生產(chǎn)藥物。因此，這項研究的結(jié)果為改進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)試驗的形式進行了生態(tài)實驗。在第一個實驗中，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。在第二個實驗中，我們使用了一種“強制喂食”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會。”

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