Science发现植物最复杂基因簇

　　

生物通报道：罂粟在我们的印象中就是毒品鸦片的主要原料，但这种植物也并非一无是处，最起码在医药中应用广泛，而且它的种子是重要的食品产物，其中含有对健康有益的油脂。近期的一项研究更是证明这种植物具有迄今为止发现的植物界最复杂的基因簇，有助于药用化合物那可汀(Narcotine）的研发。

这篇题为“A Papaver somniferum 10-Gene Cluster for Synthesis of the Anticancer Alkaloid Noscapine”的文章由来自约克大学和葛兰素史克GSK的研究人员完成，发表在Science杂志上。

文章的通讯作者，约克大学新型农产品中心主任Ian Graham教授表示，“我们惊讶的发现这种基因簇几乎能编码noscapine整个生物合成途径，因此利用这项研究，我们就能获得合成途径的大纲，以及定义其中涉及的多个步骤，而这通常需要花费几年的时间。”

罂粟是一种原产于地中海东部山区的植物，其乳汁也就是鸦片中含有多种多种生物碱、吗啡(Morphine)、可待因(Codeine)与蒂巴因(Thebaine)，对中枢神经有兴奋、镇痛、镇咳和催眠作用。

在这项研究中，研究人员最初发现能产生那可汀(Narcotine）的罂粟品种能表达许多其它不产生那可汀罂粟品种没有的基因，因此他们分析了能产生那可汀和不能产生那可汀罂粟品种杂交上百代后，这些基因的遗传模式。

结果他们发现所有的这些基因在遗传过程中都被放在一起，由此研究人员认识到他们找到了一个复杂度令人难以置信的基因簇，然后他们通过克隆和DNA测序，确定了这个基因簇中基因的组成和分布。

几十年来，那可汀作为一种适用于刺激性干咳病人服用的化学成分，具有咳嗽水中的抑制作用。近年来有研究报道这种成分具有抗癌活性，目前正在早期临床进行试验。那可汀也是两百年前首个被发现化学特性的天然产物之一，但是至今，科学家们仍然不清楚这种化学成分合成过程中涉及的途径和基因。

GSK澳大利亚鸦片组研发主任Tim Bowser说，“这些基因被分成一个基因簇，说明植物育种变得越来越快，越来越容易，GSK正利用这一发现研发高产量商业用途那可汀罂粟，希望能建立一条可靠的生产线。”

在2010年，加拿大研究人员破解了生成可待因和吗啡的两种罂粟基因，可待因和吗啡均为临床常用镇痛药。吗啡久用容易产生依赖性，可待因不易产生这种副作用。人体注射可待因后，肝脏的一种酶能将可待因自然转化成吗啡。

研究发现了生成可待因和吗啡的两种罂粟基因，将使利用微生物生产麻醉药等重要药物成为可能，有望利用经过基因工程改造的植物生产可待因。

同样最新这项有关罂粟那可汀生物合成途径基因簇的发现，也将为相关药物的生产带来新的希望，也将有助于科学家们早日找到药物成瘾相关的分子机制。

（生物通：张迪）

原文摘要：

A Papaver somniferum 10-Gene Cluster for Synthesis of the Anticancer Alkaloid Noscapine

Noscapine is an antitumor alkaloid from opium poppy that binds tubulin, arrests metaphase, and induces apoptosis in dividing human cells. Elucidation of the biosynthetic pathway will enable improvement in commercial production of noscapine and related bioactive molecules. Transcriptomic analysis revealed the exclusive expression of 10 genes encoding five distinct enzyme classes in a high noscapine-producing poppy variety, HN1. Analysis of an F2 mapping population indicated the genes are tightly linked in HN1, and bacterial artificial chromosome sequencing confirmed they exist as a complex gene cluster for plant alkaloids. Virus-induced gene silencing resulted in accumulation of pathway intermediates allowing gene function to be linked to noscapine synthesis and a novel biosynthetic pathway to be proposed.