丹参酮合成相关的SmCYP81C16基因克隆和功能研究

目的:丹参(Salvia miltiorrhiza)根中所含的丹参酮为二萜醌类化合物,而鉴定参与丹参酮合成的CYP450基因成为解析丹参酮生物合成途径分子机制的关键步骤。方法:本实验从丹参基因组和转录组数据中筛选到SmCYP81C16基因,采用RT-PCR方法克隆获得基因cDNA全长序列,利用生物信息学分析方法分析其所编码蛋白质的理化性质,预测该蛋白质二级结构、保守结构域等,建立系统发育进化树;利用实时荧光定量PCR方法检测了该基因的组织/器官表达特异性;通过遗传转化方法获得了该基因的过表达转基因毛状根株系,通过化学检测及代谢组学分析丹参酮类化合物在对照株系和过表达株系中的含量变化。利用实时荧光定量PCR方法检测了毛状根中丹参酮合成途径关键酶基因中的相对表达量。结果:SmCYP81C16基因全长1497 bp,编码498个氨基酸残基,该蛋白质相对分子质量为55.8 kDa;SmCYP81C16在丹参茎和根的周皮部高表达;通过化学检测及代谢组学分析发现,与对照株系比较,在SmCYP81C16过表达阳性株系中,丹参酮类化合物的含量升高;过表达毛状根中丹参酮合成途径关键酶基因的表达量显著上升。结论:本研究结果表明SmCYP81C16具有正向调控丹参酮生物合成的功能。本研究为利用生物技术方法提高丹参酮类化合物含量奠定基础。     

基于基因组和转录组的丹参酮生物合成相关基因SmCYP71AU66 的筛选

目的：以丹参基因组及全长转录组数据库为基础,对丹参酮生物合成关键酶基因进行预测,进一步推进丹参酮生物合成途径的解析。方法：结合丹参中CYP450s的系统发育鉴定丹参CYP71clan成员,采用生物信息技术分析其差异表达、基因结构和保守基序等;克隆候选基因并进行理化特性和蛋白结构等分析。结果：从丹参基因组注释到161个CYP71clan成员,分为16个家族,其中CYP71家族成员有64个,数量最多且结构域保守。转录组表达分析显示CYP71clan中36%的基因高表达（FPKM > 10）。克隆到基因SmCYP71AU66 全长1503bp,编码500个氨基酸,在丹参根的周皮部位显著高表达,符合丹参酮在丹参体内的分布规律,预测该基因是丹参酮生物合成途径中的关键酶基因。结论：本研究为丹参酮合成相关基因的挖掘以及生物合成途径的解析提供参考。     

丹参酮生物合成途径CYP450基因相关长链非编码RNA的筛选

丹参酮是中药丹参的主要有效成分,其生物合成途径表明细胞色素CYP450酶在丹参酮生物合成途径结构后修饰过程中发挥着重要作用。长链非编码RNA(lncRNA)是一类长度大于200 nt的核苷酸,对药用植物的生长发育、次生代谢等具有重要调控作用。该研究通过对丹参毛状根进行诱导,利用高通量测序构建其长链非编码RNA文库,共获得8 942个差异lncRNA,其中6 755个基因间lncRNA,并鉴定出1 115 814个lncRNA-靶基因对,包括122个lncRNA-靶基因顺式对。对差异lncRNA与CYP450进行相关性分析,共鉴定出16 249个lncRNA-CYP450靶基因对。将其与丹参酮生物合成途径CYP76AH1,CYP76AH3,CYP76AK1基因进行靶向相关性分析,得到216个靶基因,这些候选基因为丹参酮生物合成途径下游调控机制研究奠定基础。     

丹参2-C-甲基-D-赤藓糖醇2,4-环焦磷酸合成酶(SmMCS)基因全长克隆及其生物信息学分析

目的:从丹参毛状根中克隆2-C-甲基-D-赤藓糖醇2,4-环焦磷酸合成酶(SmMCS)全长基因,并进行生物信息学分析.方法:根据丹参转录组数据提供的基因片段设计特异引物,采用RACE方法克隆SmMCS全长cDNA,并对SmMCS进行蛋白结构预测、序列多重比对和构建进化树等分析;同时采用实时定量PCR检测Ag+诱导子诱导丹参毛状根不同时期的SmMCS基因转录水平.结果:克隆的SmMCS全长cDNA由988个核苷酸组成,具有完整编码框,编码234个氨基酸,蛋白相对分子质量约24.6 kDa,等电点pI 8.53;实时定量PCR结果表明该基因受Ag+诱导后表达水平在12 h时急剧上升并达到最高值.结论:从丹参毛状根中克降得到一条SmMCS全长cDNA,为进一步研究丹参酮类成分的生物合成和萜类次生代谢提供靶基因.     

丹参酮生物合成途径中C20位氧化酶改造研究

丹参酮类化合物是丹参主要有效成分之一，在心血管类疾病治疗中发挥重要作用，丹参酮类化合物的微生物异源生产能够为含丹参中药制剂生产提供大量原材料，降低提取成本，缓解临床用药压力。丹参酮生物合成途径包含多个P450酶，高效优势的催化元件是丹参酮微生物生产的基础，该研究以丹参酮途径关键P450-C20位羟化酶CYP76AK1为研究对象，使用SWISS-MODEL、Robetta和AlphaFold2这3种蛋白建模方法，对所得蛋白模型进行分析，获取可靠蛋白结构，以分子对接和同源比对进行突变体蛋白的半理性设计。筛选发现了影响CYP76AK1氧化活性的关键氨基酸位点，通过真核表达对所得突变体进行体外功能研究。研究获得了对11-羟基柳杉酚具有连续氧化功能的CYP76AK1突变体元件，解析了影响其氧化活性的4个关键氨基酸位点，并根据突变结果分析3种蛋白建模方法的可靠性。研究首次报道了丹参中CYP76AK1的有效蛋白改造位点，为丹参酮类化合物合成生物学研究提供了C20位不同氧化活性的催化元件，为解析C20位修饰P450蛋白的连续氧化机制奠定基础。     

丹参酮生物合成途径CYP76AH1基因RNA干扰体系的建立及干扰效果研究

丹参酮类化合物多属于二萜类化合物,是药用植物丹参的主要活性成分之一,在植物体内的生物合成需要多个基因的参与.CYP76AH1是丹参酮生物合成途径的第一个P450基因,前期的酵母表达以及体外酶促反应已经验证了其体外功能.为了对该基因的功能进行进一步研究,该文构建了该基因的丹参毛状根RNA干扰体系:通过Gateway技术构建能形成具有目标基因发卡结构的RNA干扰载体,转化发根农杆菌,转染丹参叶片,将干扰片段整合至丹参基因组中,获得了高效干扰的CYP76AH1干扰型丹参毛状根.     

丹参转录因子SmWRKY14基因的克隆及表达分析

目的 克隆丹参Salvia miltiorrhiza转录因子基因SmWRKY14，分析其在不同组织及应答环境因子和植物激素过程中的表达特征。方法 以丹参转录组数据中Unigene（c50007_g1）序列为参考，利用PCR扩增获得SmWRKY14基因序列。通过生物信息软件及在线工具预测基因编码蛋白的理化性质、蛋白质结构等分子特征，采用DNAMAN和MEGA 6.0分别进行氨基酸多序列比对和进化树构建，运用实时荧光定量PCR检测该基因的表达模式。结果 克隆得到SmWRKY14基因cDNA全长1 103 bp，编码244个氨基酸，相对分子质量27 600，等电点8.19。该蛋白含有WRKY特征基序，不含信号肽及跨膜结构域，其高级结构主要由无规卷曲构成。进化树分析表明SmWRKY14蛋白与柿WRKY14蛋白的亲缘关系最近。SmWRKY14基因在丹参中各器官中为组成型表达，且该基因与丹参酮合成关键酶基因DXS、GGPPS、CPS的表达模式相似，且受茉莉酸甲酯、脱落酸、赤霉素等植物激素及机械损伤的强烈诱导。结论 获得丹参SmWRKY14基因序列、生物信息及表达特征，为研究WRKY家族成员调控丹参酮类化合物的合成、应答植物激素及参与防御反应的分子机制提供理论依据。     

丹参CYP76AH1转基因毛状根的建立及其蛋白的分离

蛋白质复合物参与植物多种次生代谢物的合成,其分离对阐明植物次生代谢及提高体外催化效率至关重要。该研究构建了过表达丹参酮合成途径关键酶CYP76AH1的转基因毛状根株系,通过Western杂交筛选得到高表达CYP76AH1蛋白的丹参转基因毛状根,并以此作为后续提取丹参酮合成途径中蛋白质复合物的组培材料。通过优化蛋白提取缓冲液中的去污剂种类和浓度,筛选出含0.5%Triton X-100的缓冲液为最佳提取缓冲液,并分离得到相对大量的可溶性CYP76AH1蛋白质。该研究为后续进一步分离纯化与CYP76AH1相互作用的蛋白质复合物奠定了基础,也为深度解析丹参酮合成代谢通路提供思路。     

丹参酮生物合成相关SmERF108转录因子的鉴定及其靶基因分析＊

目的 鉴定与丹参酮合成相关转录因子AP2/ERF家族中SmERF108转录因子，并分析转录因子SmERF108的靶基因。方法 利用生物信息学在线分析平台如NCBI、PFAM等分析SmERF108的序列特征；MEGA-X软件用于构建SmERF108与不同功能转录因子的系统进化树；拟南芥原生质体转化法鉴定SmERF108蛋白的亚细胞定位；通过实时荧光定量PCR（Real-time qPCR）对SmERF108基因在丹参不同器官和组织差异表达进行检测；利用酵母体系对SmERF108的转录激活活性进行探究并用酵母单杂技术确定其靶基因。结果 SmERF108具有典型的AP2/ERF保守结构域，属于ERF-B3亚组，系统进化树和保守基序分析显示SmERF108与丹参中SmERF128、青蒿中AaERF2亲缘关系较近且保守基序分布一致；亚细胞定位显示SmERF108蛋白定位于细胞核；SmERF108基因在周皮中表达最高，且呈现周皮（R1）>韧皮部（R2）>木质部（R3）的规律；酵母自激活验证SmERF108具有转录激活活性，同时酵母单杂交确认其能与关键酶基因SmCPS1启动子结合。结论 鉴定到丹参中一个新转录因子SmERF108，生物信息学分析及差异表达分析预测与丹参酮合成相关，分子互作初步证实靶基因为SmCPS1二萜环化酶。     

基于丹参酮类化合物生源途径的丹参质量标志物研究思路探讨

该研究基于中药质量标志物(Q-marker)理论以丹参为研究对象,对丹参毛状根进行诱导实验,采用实时荧光定量PCR检测毛状根中SmCPS,SmKSL,CYP76AH1 3条基因的相对表达量;分别采用UPLC和GC-MS技术检测毛状根与药材中丹参酮Ⅱ_A、隐丹参酮、丹参酮Ⅰ、1,2-二氢丹参酮、铁锈醇以及次丹参酮二烯的含量;统计学分析表明:丹参毛状根中次丹参酮二烯与铁锈醇的含量与下游丹参酮类化合物的含量存在正相关,且丹参酮类化合物生源途径上重要基因的相对表达量可在一定程度上反映丹参酮类化合物的含量;在多省份丹参药材中,初步发现铁锈醇与丹参酮类化合物的含量也存在正相关。该研究从丹参毛状根体系可控实验入手,结合丹参药材,以丹参中特有指标性成分丹参酮类化合物的生源途径为研究基础,突出了生源途径上游基因、中游中间体化合物与下游丹参酮类化合物含量之间的重要关系,进而为从生源途径方面理解和研究丹参质量标志物(Q-marker)提供了可能的研究思路,以期建立多元、完整的中药丹参的质量控制体系。