  一 土中瑰宝-人参 图1 人参 有一味中草药外形酷似人形，充满了神秘色彩，在传说中是能够使人“起死回生”的神药，但在日常生活中也可以购买到。这味中草药就是有“神草”、“百草之王”美誉的人参。人参全身都是宝，其入药的主要部位是根，但其各个部位其实都有药用价值，堪称为“土中瑰宝”。人参的拉丁名为Panax ginseng，而panax在希腊语中意为包治百病的灵丹妙药，可见人参的功效不单单被国人所认可[1]。 二 人参皂苷 人参中的主要活性成分是人参皂苷，它是人参的主要次生代谢产物，对免疫反应、新陈代谢和癌症预防和治疗等具有多种作用。1854年，美国科学家首次从人参中分离出来人参皂苷。20世纪60年代，日本天然药物化学家鉴定了几种人参皂苷的化学成分，推动了人参皂苷的研究进展。目前，科学家已经从人参中分离出来60多种人参皂苷，例如已被命名的Rg1、Rg2、Rg3、Re、Rb1、Rb2等[1]。 我国科学家也通过利用现代生物学手段证明人参皂苷的功效。2017年，吉林大学分子酶学工程教育部重点实验室金英花教授课题组通过将（20S）G-Rh2固定到PEGA（聚乙二醇己二酸酯）树脂上，并进行噬菌体展示技术，以筛选G-Rh2的细胞靶标，确定了46个潜在的靶基因，包括膜联蛋白A2。该研究首次证明了（20S）G-Rh2直接与膜联蛋白A2结合，干扰了膜联蛋白A2与NF-кB p50亚基的相互作用，从而下调抗细胞凋亡基因表达，最终促进了癌细胞凋亡。该研究成果发表于Scientific reports杂志[2]。2021年，该科研团队惊喜地发现Hsp90A是人参皂苷Rh2的潜在靶点蛋白质，而HSP90蛋白是肝癌、膀胱癌、食管癌和肺癌等多种癌症中高表达的癌症标志物蛋白质。通过分子对接计算与蛋白质热漂移分析证明了人参皂苷Rh2可同时结合Hsp90A氨基段的ATP结合位点和MC段CDC37结合结构域，高效抑制Hsp90A的分子伴侣活性，并进一步证明了人参皂苷Rh2对Hsp90A的靶向抑制，引发细胞周期的关键调控激酶的蛋白酶体降解，抑制Rb蛋白质的磷酸化和细胞周期G0/G1期阻滞[3]。  图2 金英花科研团队在人参皂苷靶向抑制肿瘤领域的研究进展[4] 人参皂苷Rh2含量极低（不到人参根干重的0.01%），目前商业化的人参皂苷Rh2主要通过从人参属植物中提取总皂苷，进一步采用化学或生物法脱糖基进行。但该方法依赖于人参属植物的栽培，并且下游分离工艺复杂，极大地限制了其开发与应用。合成生物学技术的发展和应用为实现利用微生物发酵从头合成人参皂苷提供了重要思路。2019年，Cell Discovery杂志发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心周志华研究组题为“Synthesizing ginsenoside Rh2 in Saccharomyces cerevisiae cell factory at high-efficiency”的研究论文。在前期工作中，研究组完成了稀有人参皂苷Rh2合成途径关键UGTPg45元件的功能鉴定，完整解析了稀有人参皂苷Rh2的合成途径。在此基础上，本研究重新设计与构建了第二代PPD底盘细胞，通过系统强化MVA途径以及优化细胞色素P450的表达，使PPD产量达到11.0 g/L。除此之外，本研究对PPD向Rh2转化的一步糖基化反应进行了系统优化，最终使得Rh2的产量提高10倍以上[5]。  图3 利用酿酒酵母细胞工厂高效合成稀有人参皂苷Rh2取得进展[5] 人参皂苷Rg3具有抗肿瘤等多种药理活性。Rg3的主要来源是栽培人参，但含量仅有万分之一，因此也被称为稀有人参皂苷。2022年7月，天津大学高文远教授课题组题于JIPB杂志发表了题为“Engineering of triterpene metabolism and overexpression of the lignin biosynthesis gene PAL promotes ginsenoside Rg3 accumulation in ginseng plant chassis”的研究论文。该研究从基因水平、蛋白水平和组织水平综合分析了Rg3在人参底盘中的合成。通过半理性设计提高了Rg3合成关键酶Pq3-O-UGT2的催化效率，并利用基因编辑方法抑制了Rg3合成的侧支途径。研究还发现，过表达木质素合成基因PAL能够显著提升了Rg3含量。最终通过诱导刺激和酸水解使根系中Rg3产率达到83.6 mg/L，对中药资源可持续利用和高质量发展具有重要意义[6]。  图4 Rg3人参细胞工厂构建 三 人参基因组研究进展 2010年4月，中国人参基因组计划正式启动。人参基因组计划由中国医学科学院药用植物研究所牵头组织，联合了天津中医药大学、长春中医药大学、吉林省农科院等合作单位。2017年，该团队在国际上率先发表人参全基因组图谱，测序了人参基因组,该基因组大小为3.5 Gb，其中大约有62%的序列是重复的。除此之外，研究者发现合成人参皂苷的甲羟戊酸通路中的多个酶都以多拷贝或异构体的形式存在于基因组中。人参中最大的基因家族为负责辅助人参皂苷糖基化的UDP-糖基转移酶，其包含225个成员。人参基因组以及人参皂苷合成通路的分析结果有助于人参的培育、种植和合成，也为植物功能基因组分析提供了有效的途径[7]。  图5 人参基因组组装与功能基因注释[7] 2018年3月，韩国首尔国立大学Tae-Jin Yang研究团队从头组装了四倍体人参品系Chunpoong的基因组，其大小约为2.98Gb，共注释出59352个基因。重测序数据显示二倍体人参属物种的分化与南亚的温暧气候相关；另外，两个北美的人参属物种是通过洲际迁移演化形成的。功能和进化分析表明，人参皂苷起源于三人参，主要在枝条组织中产生并输送到根部。基因组的代谢网络提供了人参皂苷生物合成的整体视图。本研究通过基因组学辅助育种或代谢工程为提高人参的药用价值提供了宝贵的资源[8]。  图6 人参基因组结构与进化[8] 2022年4月，复旦大学的李霖锋教授、东北师范大学刘宝教授科研团队在国际权威学术刊物Nature Communications发表了题为“Reshuffling of the ancestral core-eudicot genome and its role in shaping chromatin topology and epigenetic modification in extant Panax genomes”的科研成果。该研究以五加科人参属为研究对象，通过使用PacBio，Nanopro，lllumina，Hi-C测序等方法，对基因组进行了组装、基因注释和质控，并从基因组多维度可塑性的角度，发现祖先核心双子叶基因组在现代人参基因组中仍然保存完好。除此之外，本研究显示在基因组多倍体化/二倍体化过程中的有偏遗传分离和表观遗传调控差异，导致了人参属植物次生代谢产物的多样性增加。该研究提供了一个古多倍体化的角度，揭示了祖先核心双子叶植物基因组重组导致一个高度动态的基因组变化，以及双子叶植物代谢多样化的结果[9]。  图6 祖先核心双子叶基因组的进化重排产生了现有人参物种的基因组[9] 参考文献： 1. 邓兴旺.植物与食物. 商务印书馆 2. Yu-Shi Wang， Yingjia Lin， He Li， et al. The identification of molecular target of (20S) ginsenoside Rh2 for its anti-cancer activity. Scientific Reports ,2017:7,12408. 3. Chen Chen, Yu-Shi Wang, En-Ting Zhang, Gang-Ao Li, Wen-Yuan Liu, Yang Li, and Ying-Hua Jin . (20S) Ginsenoside Rh2 exerts its anti‐tumor effect by disrupting the HSP90A‐Cdc37 system in human liver cancer cells, Int. J. Mol. Sci. 2021: 22, 13170. 4. 吉林大学，生命科学学院 5. 中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所 6. Yao, L, Zhang, H, Liu Y,et al. Engineering of triterpene metabolism and overexpression of the lignin biosynthesis gene PAL promotes ginsenoside Rg3 accumulation in ginseng plant chassis. JIPB， 2022：64,9. 7. Xu J,Chu Y, Liao B,et al. Panax ginseng genome examination for ginsenoside biosynthesis.GigaScience, 2017:6,11. 8. Kim NH, Jayakodi M, Lee SC,et al. Genome and evolution of the shade-requiring medicinal herb Panax ginseng. IJMS，2018:16,11. 9. Wang ZH, Wang XF, Lu T, et al. Reshuffling of the ancestral core-eudicot genome shaped chromatin topology and epigenetic modification in Panax. Nat Commun, 2022 :7,13(1). 撰文 | 小果 责编 | RAY 微信公众号｜Molplant2019 www.cell.com/molecular-plant/home |
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