鉴定了一种新的O-糖基转移酶PgGT2，该酶负责Platycodon grandiflorum中皂苷合成过程中的第一步糖基化反应

《Plant Physiology and Biochemistry》：Identification of a novel O-glycosyltransferase PgGT2 for catalyzing the first glycosylation step of saponin synthesis in Platycodon grandiflorum

重楼中新型UGT73家族酶PgGT2催化C-3羟基β-D-糖基化生成关键中间体，填补皂苷生物合成途径空白，为合成生物学改造提供工具。

　　

李珍|余文静|唐薇薇|卢旭|李斌

中国药科大学天然药物国家重点实验室与中药学院，南京，210009，中国

摘要

Platycodon grandiflorum 是一种广泛用于药用和食用的植物，富含生物活性三萜皂苷。这些皂苷的结构多样性、药理活性和生物利用度与糖基化过程密切相关。然而，目前尚未确定在P. grandiflorum中启动platycodigenin型苷元糖基化的酶。本研究从P. grandiflorum中发现了PgGT2，这是一种新的UGT73亚家族成员，能够特异性地催化platycodigenin C-3羟基的β-D-糖基化反应，生成关键中间体3-O-β-D-葡吡喃基platycodigenin。系统发育分析表明，PgGT2属于与三萜C-3位糖基化相关的UGT73亚家族。体外实验验证了其严格的底物和糖供体选择性。通过Nicotiana benthamiana的瞬时表达实验确认了其在植物体内的转糖基化活性。分子对接、分子动力学模拟和定点突变研究有助于进一步理解PgGT2的催化机制。His22、Trp369、Asn370和Gln391残基在稳定UDP-葡萄糖（糖供体）方面起重要作用，而Arg93对于稳定platycodigenin（底物）至关重要。本研究阐明了P. grandiflorum中皂苷生物合成过程中的初始糖基化步骤，为皂苷生产的合成生物学工程提供了关键酶。

引言

Platycodon grandiflorum属于桔梗科（Campanulaceae），是一种具有药用和食用价值的植物（Zhang等人，2022年）。其干燥根茎在中国传统医学中用于治疗呼吸系统疾病和炎症；其嫩芽和新鲜根茎在东亚地区（如韩国、日本和中国东北部）被作为功能性食品（Zhang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。皂苷是一类三萜的糖缀合物，是Platycodon grandiflorum的主要生物活性成分，例如platycodin D和deapi-platycodin D，具有抗炎、抗氧化和免疫调节作用（Bailly和Vergoten，2020年；Chirine等人，2021年；Xie等人，2023年）。糖基化对皂苷的结构复杂性和多样性以及生物药理活性具有重要影响。然而，P. grandiflorum根茎中参与皂苷糖基化的关键酶尚未完全鉴定，这给通过代谢工程生产高活性皂苷带来了挑战。

UDP糖基转移酶（UGTs）是植物次生代谢中催化糖基化的关键酶。迄今为止，已鉴定出几种P. grandiflorum中的UGT，如UGT94U4、PgUGT29和UGT94BY1，它们仅作用于预糖基化中间体（如platycodin D、platycodin D3和deapi-platycodin D），以延长或修饰糖链（Fan等人，2025年；Jiang等人，2025年；Tang等人，2023年）。然而，启动P. grandiflorum中platycodigenin型皂苷生物合成第一步糖基化的酶尚未确定，这限制了对该植物完整生物合成途径的理解。

在本研究中，从P. grandiflorum根茎中鉴定出一种新的UGT基因PGJG219890（命名为PgGT2）。PgGT2特异性地催化皂苷C-3羟基的β-D-糖基化，生成关键中间体3-O-β-D-葡吡喃基platycodigenin，填补了皂苷生物合成途径的初始步骤空白。系统发育分析显示PgGT2属于与三萜C-3位糖基化相关的UGT73亚家族。体外酶学实验和分子动力学模拟阐明了其底物选择性和独特的催化机制。Nicotiana benthamiana中的瞬时表达实验进一步证实了其转糖基化活性。本研究不仅阐明了P. grandiflorum中oleanane型三萜皂苷生物合成过程中初始糖基化的分子机制，还为合成生物学研究提供了重要工具。调节PgGT2的表达可优化皂苷生产效率，并合理设计新的糖基化衍生物，为天然药物、功能性食品添加剂和营养保健品的开发奠定了理论和技术基础。

样本和试剂

Platycodon grandiflorum根茎采自中国药科大学植物园。N. benthamiana在温度25°C、相对湿度60-70%、16小时光照/8小时黑暗的条件下培养。Platycodon grandiflorum的全基因组数据（GCA_004681165.1）可从NCBI数据库获取。不同组织的转录组数据来自我们之前的研究（SRR22045622-SRR22045627）（Tang等人，2023年）以及公开可用的数据。

基因挖掘和克隆

通过HMM分析和BLASTP比对，在Platycodon grandiflorum基因组中初步鉴定出196个候选UGT基因。基于转录组的筛选（阈值设定：FPKM ≥ 10）发现了64个高表达的UGT基因（图S4）。为了进一步缩小候选基因范围，利用这64个UGT基因以及来自拟南芥（Arabidopsis thaliana）的33个UGT基因和其他植物的74个UGT基因构建了系统发育树。

讨论

Platycodon grandiflorum因富含三萜皂苷而在传统医学和食品领域具有重要地位。皂苷在组织中的积累具有明显的特异性，其中根茎中的含量最高，其次是花蕾、茎和叶。值得注意的是，platycodigenin型皂苷（即PgGT2的底物和产物类型）占总皂苷含量的50%以上（Lee等人，2021年）。迄今为止，已鉴定出约89种oleanane型五环三萜皂苷。

结论

本研究从Platycodon grandiflorum中发现了一种新的UGT2，这是一种参与三萜皂苷生物合成途径的关键糖基转移酶。作为UGT73亚家族的成员，PgGT2特异性地催化platycodigenin C-3羟基的O-糖基化，生成关键中间体3-O-β-D-葡吡喃基platycodigenin，从而填补了Platycodon grandiflorum中皂苷糖基化初始步骤的空白。其催化活性和底物选择性...

未引用的参考文献

Li等人，2023年。

作者贡献

李珍负责实验并撰写手稿；余文静进行实验并分析数据；唐薇薇收集样本并监督研究；卢旭参与研究设计；李斌提出研究思路、监督研究、解释结果并对手稿进行严格修订。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号82474068和82374028）以及中央政府层面的重点项目“珍贵中药资源可持续利用能力建设”（2060302）的支持。