茜草属植物的抗肿瘤环肽RAs时空特征及其代谢组学与转录组学关联分析

Rubiaceae-type cyclopeptides (RAs) are a kind of significant anti-tumor constitutes from traditional herbal medicines Rubia plants. One new drugs was screened to develop and research by our team based on a lot of previous chemical and biological studies. However, chemical synthesis of RAs was so complex that failed to apply in industrial production, plant sources became the unique approach to obtain. Previous resources studies in my doctoral thesis optimized R. yunnanensis was one of the most abundant plants of RAs. But how to effectively obtain and sustainably utilize RAs resource is still urgent to be solved. In this project, the roots of R. yunnanensis is regarded as the experimental material. RAs dynamic changes in different growth stages will be analyzed and spatial distribution in root tissues will be localized by mass spectrometry imaging technology. Thus, reveal the temporal-spatial characteristics of RAs. High RAs (spatial and temporal) tissues from three Rubia plants with significant different RAs chemical phenotype will be performed in metabolomics and transcriptomics studies. The differential metabolites-genes correlation networks will be constructed by metabolomics and transcriptomics association. And then, the closely related information of RAs biosynthesis will be figured out. This study provides a scientific basis for rational obtainment of RAs, revealing the biosynthetic pathway of RAs and sustainable utilization of RAs resources. This study provides scientific basis for rational obtainment and sustainable utilization of RAs resources, and also lays a foundation for new drug research.

茜草科类型环肽（Rubiaceae-type cyclopeptides，RAs）是传统草药茜草属植物一类具有显著抗肿瘤活性的化学成分，基于团队大量的化学和生物学研究，筛选出正在研发的一个1.1类新药候选分子。而该类成分化学合成复杂，难以工业化生产，植物来源成为获取的唯一途径。申请人在前期资源研究中优选出紫参是RAs丰富的植物之一，但其资源如何有效、可持续获取和利用仍是急待解决的问题。本项目以紫参入药的根部为研究对象，分析RAs在不同生长期的动态变化规律，通过质谱成像技术定位RAs在根部的空间分布，揭示RAs的时空特征；利用RAs化学表型显著差异的三种茜草属植物在RAs高含量时期的部位，进行代谢组学的和转录组学分析，通过组学关联，构建差异代谢物‑基因相关性关系网络，进而寻找与RAs生物合成密切相关的信息。本研究为RAs的合理获取，资源可持续利用提供科学依据，也为新药研究奠定基础。

为有效、可持续获取和利用1类抗肿瘤新药候选分子茜草科类型环肽（Rubiaceae-type cyclopeptides，RAs）资源，本研究以茜草属中RAs类成分为研究对象，在其主要资源植物的紫参中进行了RAs类成分的时空特征分析，并以此位依据开展代谢组学和转录组学分析，筛选有关RAs生物合成的相关信息，本研究主要开展了一下研究内容：. 1.紫参根部RAs类成分的时间动态变化规律：. 测定了一年周期的紫参根部RAs含量，得到紫参中主要的6种RAs类成分的含量动态变化规律，1月至5月的含量较低，6月至12月的含量较高，且在10月初时RAs的含量达到峰值，可以作为其最佳采收时期，用于指导农户合理科学的采收紫参，具有一定的应用价值。. 2.紫参根部RAs类成分的空间分布规律：. 采用MALDI-MS技术检测紫参根部横切面中RAs，揭示其中的空间分布规律，其中RA-I、RA-XI与RA-V主要分布在皮层和韧皮部，糖基化的RA-XII、RA-XIII、RY-II则更为集中分布在韧皮部，而RA-VII与其他RAs不同，主要分布在木质部，根据质谱成像结果显示，紫参主要的RAs成分积累分布与其根的皮层和韧皮部，同时通过UPLC-MS/MS定量分析验证了与成像结果相符。此外，质谱成像还检测出一个分子量1155.4608 [M+H]+的化合物，结合质谱分子网络技术，预测分子式C54H70N6O22为潜在未报到的RAs化合物，且为罕见的双糖苷RAs。. 3.紫参根部不同部位代谢组学和转录组学分析：. 开展紫参根部的木栓层、皮层+韧皮部和木质部三个部位代谢组学和转录组学研究。发现木栓层和木质部之间都有一个差异倍数变化较大的环二肽cyclo（Leu-Pro），这说明紫参根部不同部位间的环肽类成分也是明显的差异代谢产物，KEGG途径分析显示主要富集在与RAs分子结构密切相关的“酪氨酸代谢”途径。转录组学分析出差异基因的GO富集分析显示其中“有机环状化合物生物合成”和“糖基转移”可能是环肽RAs生物合成的关键过程，包括环肽的环化和糖基化修饰。. 本研究阐明了紫参的RAs类成分的时空特征，为指导紫参的采收和合理获取提供了科学依据，RAs生物合成相关信息为进一步阐明RAs生物合成机制奠定基础。