莨菪碱（hyoscyamine）及其消旋体阿托品（atropine）和其衍生物东莨菪碱（scopolamine）均属于托品烷生物碱（Tropane Alkaloids，TAs），为抗胆碱临床基本药物。茄科药用植物是商业化生产TAs的唯一来源，但TAs在植物中含量很低，导致其价格高昂。采用代谢工程技术培育TAs含量高的药用植物或基于合成生物学技术生产TAs成为相关医药行业共同追求的重要目标，而实现这一目标的前提是鉴定TAs生物合成途径基因。国外科学家在著名期刊《Natural Product Reports》（天然产物报告）发表题为《Tropane alkaloid biosynthesis. A century old problem unresolved》的评论（Humphrey & O’Hagan. Natural Product Reports. 2001），认为TAs生物合成是一个世纪以来还没有解决的问题。
近日，西南大学廖志华教授和中国科学院昆明植物所黄胜雄研究员团队，采用多学科研究方法，发现鉴定了莨菪碱脱氢酶（hyoscyamine dehydrogenase，HDH），该酶又名莨菪醛还原酶（hyoscyamine aldehyde reductase，HAR）。HDH是一个能够催化莨菪醛和莨菪碱双向转化的氧化还原酶，但在生理条件下HDH主要发挥将莨菪醛还原为莨菪碱的催化功能；蛋白质晶体研究结果发现HDH仅能够利用[4R-2H] NADPH作为还原力，较低的催化活性表明HDH是限速酶；在颠茄发根中过表达HDH能够大幅度提高TAs产量（图1）。HDH的发现标志着以莨菪碱为代表的药用TAs生物合成途径完整解析，终结了“Tropane alkaloid biosynthesis. A century old problem unresolved”。该研究得到NSFC-云南联合基金重点项目、国家转基因重大专项、国家重点研发计划和第四次全国中药资源普查专项等项目的资助，相关成果《Biochemical and metabolic insights into hyoscyamine dehydrogenase》于2月18日发表在国际著名期刊《ACS Catalysis》（美国化学学会·催化）（影响因子12.35）。西南大学生命科学学院含弘博士后邱飞为该论文的第一作者，昆明植物所颜一军副研究员和西南大学生命科学学院博士生曾俊岚为并列第一作者，廖志华教授和黄胜雄研究员为该论文共同通讯作者。
廖志华教授团队长期从事植物天然产物合成生物学和代谢调控研究及产业化，特别是在解析TAs生物合成途径和代谢工程育种方面取得了一系列重要成果。从鸟氨酸和苯丙氨酸开始，药用TAs生物合成途径共有13个酶，廖志华教授团队贡献了5个酶，包括ODC、PPAR、UGT1、LS和HDH（图2），相关研究结果先后发表在《ACS Synthetic Biology》、《Organic Letters》、《New Phytologist》和《ACS Catalysis》。廖志华教授团队在TAs生物合成途径解析方面的研究促成了TAs生物合成途径的完整解析和采用合成生物学技术生产TAs的成功。斯坦福大学在Nature报道采用合成生物学技术在酵母中从头合成莨菪碱和东莨菪碱（Srinivasan and Smolke. 2020），其中4个酶（PPAR、UGT1、LS和HDH）为廖志华教授团队首次发现鉴定。鉴于TAs生物合成基因具有巨大商业价值，西南大学在2019年就已将UGT1、LS和HDH申请了发明专利，在TAs制药行业形成了独占性技术优势。HDH发明专利在2020年11月授权并与成都上交致远生物科技有限公司达成转让协议。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.0c04667
图1. HDH还原莨菪醛生成莨菪碱的催化机制
图2.托品烷生物碱生物合成途径
