黄芩中甲氧基黄酮合成途径中氧位甲基转移酶基因家族的研究

Scutellaria baicalensis Georgi is a kind of important Chinese Traditional Medicine. The pharmacological activities of S. baicalensis have been attributed mainly to the large amounts of root-specific flavones: baicalein, wogocin, various methoxylated flavones and their glucosides. Based on previous study, we have elucidated the pathways from phenylalanine to baicalein and norwogonin. However, the metabolic pathways of the methoxylated flavones and the O-methyltransferases (OMTs) involved remain unclear. In the present proposal, we want to study the O-methyltransferases that may be responsible for biosynthesis of the flavones and try to elucidate their pathways. Based on our analysis of transcriptomes of different Scutellaira tissues, we want to isolate the OMT genes, determine their enzymatic characters and confirm these with RNAi to elucidate biosynthetic mechanism of the methylated flavones. The results of this work could be necessary to elucidate the whole pathway of the root-specific flavones.

黄芩是一味常用中药，其主要活性成分为根中大量积累的根特异黄酮：如黄芩素、汉黄芩素，以及结构多样的甲氧基黄酮及它们的糖基化产物。申请者在前期工作中，已阐明了黄芩中从苯丙氨酸到黄芩素及去甲汉黄芩素的合成途径。然而，根特异黄酮中还有大量以汉黄芩素为代表的甲氧基黄酮的合成途径还没完全阐明，负责这些反应的氧位甲基转移酶还没有被发现。本项目拟基于先前工作，研究黄芩中的氧位甲基转移酶，试图解析黄芩中多个甲氧基黄酮的合成途径。我们将在不同组织转录组测序分析的基础上，挖掘黄芩中的氧位甲基转移酶，比较这些酶的酶学特征，结合RNAi等分子生物学技术，阐明以汉黄芩素为代表的9个黄芩甲氧基黄酮的合成机制。本研究的开展有利于拓展对黄酮类物质的合成机制的认识。

黄芩是一种重要的传统药用植物，我们国家对它的使用有着悠久的历史。其主要活性成分为根中大量积累的黄酮化合物，且多数为甲氧基化黄酮。我们在前期工作中，已阐明了黄芩中黄芩素及去甲汉黄芩素的合成途径。然而，在本项目执行之初，大量以汉黄芩素为代表的甲氧基黄酮的合成途径还没完全阐明，负责这些反应的氧位甲基转移酶还没有被发现。本项目基于先前工作，研究黄芩中的氧位甲基转移酶，试图阐明多甲氧基黄酮甲基化的分子机制。通过项目执行，我们完成黄芩全基因组测序，获得了386.6 Mb的染色体级黄芩基因组，N50达到1.33 Mb,注释了28,930个基因。对黄芩根进行了代谢组学测定，检测到43种甲氧基黄酮。基于此，我们在黄芩中找到5个II类OMT家族基因（命名为PFOMT）。其中SbPFOMT2 和 SbPFOMT5，主要在根中表达，负责黄酮上两个相邻羟基之一的修饰，可以将C6、C8和C3'-羟基甲基化；地上部分表达的SbPFOMT1负责甲基化咖啡酰CoA，参与木质素合成。找到9个黄芩I类OMT家族基因（命名为FOMT），研究揭示SbFOMT3、SbFOMT5和SbFOMT6主要负责黄酮的C7-甲氧基化。而SbFOMT5能甲氧基化C7位，还能甲基化黄芩素分子的C5和C6位羟基。在酵母细胞中共表达I类和II类OMT酶，添加相应羟基黄酮为底物发酵，获得了相应的甲氧基黄酮：黄芩黄酮I和韧黄芩素I。本项目的执行，阐明了黄芩黄酮的甲基化机制，为用合成生物学制备这类活性物质提供了理论工具。