耶拿马克斯·普朗克化学生态学研究所的科学家们正在研究导致植物中形成强心烯内酯的生物合成途径，该途径此前基本上不为人所知。
在《自然植物》杂志上发表的一项研究中，他们提出了CYP87A家族的两种酶作为关键酶，在两个不同的植物家族中催化孕烯醇酮(植物类固醇生物合成的前体)的形成。此类酶的发现应有助于开发廉价且可持续生产高质量医用类固醇化合物的平台。
植物产生一系列令人印象深刻的代谢物，包括许多具有医学价值的类固醇。从植物中获得的此类物质的众所周知的例子是卡烯内酯。早在1785年，英国医生威廉·威瑟林(WilliamWithering，1741-1799)就出版了一本关于红毛地黄及其医学用途的书(AnaccountoftheFoxglove,andsomeofitsMedicalUses:withPracticeCommentsonDropsy,andOtherStates).伯明翰1785)。
他在实验中发现，服用该植物的提取物可以增加病人的尿流量，从而治疗体内的水分滞留。然而他并不知道，毛地黄叶中的活性成分对心脏有直接作用。
自19世纪下半叶以来，强心内酯(来自植物的强心苷)因其对心肌的作用而被用于治疗心力衰竭或心律失常。
“除了对心脏收缩力的影响外，近年来，强心内酯在治疗各种癌症方面也取得了巨大成功。然而，尽管这些类固醇分子在人类中取得了成功，但相应的植物生物合成途径在很大程度上仍然未知。因此，我们的目标是了解植物如何从预测但简单的前体合成这些高度复杂的分子，”第一作者MarittaKunert解释道。
除了毛地黄洋地黄之外，研究小组还研究了另一种植物物种——橡胶树Calotropisprocera。尽管这两种植物属于不同的植物科，但它们都产生大量的强心内酯。
由于所研究的物种不是基因组已被测序且许多基因功能已知的模式植物，因此该项目最初对研究人员来说是一个“黑匣子”，因为他们没有现有的数据集或标准方法来回溯在。
这项研究的起点是早期对毛地黄相关物种的研究，该研究表明生物合成是通过孕烯醇酮分子进行的，孕烯醇酮有时被称为“所有类固醇激素之母”，因为所有主要类固醇激素，如睾酮、黄体酮和人类体内的雌激素可以追溯到孕烯醇酮的前体。
“我们通过对两种植物的比较分析，确定了参与强心酸生物合成的候选基因。这些植物中强心酸的结构既有重叠又有不同。因此，比较植物基因组的信息，特别是表达哪些基因研究负责人、自然科学系“植物类固醇专门代谢”项目组负责人PrashantSonawane说：产品生物合成。
此外，科学家们甚至不知道感兴趣的代谢物在植物的不同部分中积累在哪里。“卡烯内酯的组织特异性定位对于以允许选择13个候选基因的方式使用遗传数据集至关重要。比较不同植物的这些数据集有助于我们减少候选基因的数量以进行进一步表征，”解释道普拉尚特·索纳瓦内。
最后，鉴定出细胞色素P450家族87A的两种酶可催化毛地黄和牛角瓜中胆固醇和植物甾醇转化为孕烯醇酮。这是这两种远亲植物中强心烯内酯生物合成途径的第一步。重要的是，这是细胞色素P450亚家族首次报道的酶功能。
科学家们通过改造拟南芥模型系统的植物以产生更多的CYP87A酶来测试他们的发现。转基因拟南芥植物积累了异常高水平的孕烯醇酮。
CYP87A酶参与孕烯醇酮形成的进一步证据来自其叶子中缺乏CYP87A酶的转基因毛地黄植物。在这些植物中，孕烯醇酮和强心烯内酯的形成大大减少。作者建立了第一个稳定的转化系统来修饰毛地黄植物，以研究专门的代谢物。
研究小组对破译强心烯内酯生物合成的第一步酶促步骤还远远不够。“我们已经在研究不同植物物种中形成卡烯内酯的下游步骤。这种生物合成途径漫长且高度复杂。凭借在多个植物物种中应用最新测序、生物信息学和代谢组学方法的能力，我们希望解决很快就会解决这个难题。”PrashantSonawane说道。
植物产生许多药物化合物。这些天然产物的提取仍然非常复杂，而且往往不太可持续。马克斯·普朗克化学生态学研究所天然产物生物合成系由莎拉·奥康纳领导，旨在阐明具有医学意义的重要植物化学物质的生物合成途径。
“CYP87A等酶的发现有助于开发生物平台，通过使用其他植物进行生物合成来可持续生产高价值植物化合物，”SarahO'Connor说。