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苄基异喹啉生物碱（BIAs）药理价值高但来源有限，为探寻替代来源，研究人员克隆千金藤（Stephania tetrandra）中 CYP80B 基因（StCYP80B）。发现其可催化 N - 甲基乌药碱和乌药碱 3'- 羟基化，底物选择性更广，且与 CPR 共表达可增强活性，为 BIAs 合成提供新资源。
论文解读
在自然界的植物王国中，一群名为苄基异喹啉生物碱（benzylisoquinoline alkaloids，BIAs）的 “小精灵” 格外引人瞩目。它们结构多样，仿佛拥有神奇的魔法，在医药领域展现出卓越的药理特性，是许多重要药物的来源。然而，这些 “小精灵” 却十分 “挑剔”，仅在特定植物中微量存在，导致可持续来源严重受限，如同被囚禁在狭小的牢笼中，难以满足医药研发和临床应用的需求。为了打破这一困境，让 BIAs 能更广泛地为人类健康服务，探索其生物合成途径和相关基因，利用合成生物学手段开辟替代来源，成为了科研人员亟待攻克的难题。
在这样的背景下，来自相关研究机构的科研人员聚焦于细胞色素 P450（cytochrome P450，CYP450）酶家族中的 CYP80B 亚家族，开展了深入研究。他们从千金藤（Stephania tetrandra）中成功克隆出全长 CYP80B 基因（StCYP80B），并对其功能进行了全面解析。这项研究成果发表在《Chinese Journal of Natural Medicines》上，为 BIAs 的生物合成研究带来了新的曙光。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先运用分子克隆技术从千金藤中获取StCYP80B基因；然后利用酵母异源表达系统对该基因进行功能鉴定，通过体内酵母喂养实验和体外酶分析来检测其催化活性；同时，克隆了千金藤中的 CYP450 还原酶（CYP450 reductases，CPRs）基因StCPR1和StCPR2，并与StCYP80B进行共表达研究；此外，还通过定点突变技术探究关键氨基酸残基在催化过程中的作用。
研究结果
StCYP80B 的催化功能与底物选择性
通过体内酵母喂养和体外酶分析实验发现，StCYP80B能够高效催化 N - 甲基乌药碱（N-methylcoclaurine）和乌药碱（coclaurine）生成各自的 3'- 羟基化产物。值得注意的是，与此前报道的野生型 CYP80B 相比，StCYP80B展现出了更广泛的底物选择性，它无需 N - 甲基基团即可发挥羟化酶活性，突破了传统 CYP80B 对底物结构的严格限制。并且，该酶对（S）- 构型底物表现出明显的偏好性，显示出其催化过程具有高度的立体选择性。
与 CPR 共表达对催化活性的影响
将StCYP80B与从千金藤中克隆的StCPR1和StCPR2进行共表达，实验结果表明，这显著增强了对（S）- 乌药碱的催化活性，说明 CPR 在StCYP80B的催化过程中起到了重要的辅助作用，二者的协同作用能够提高反应效率。
关键氨基酸残基的鉴定
通过定点突变技术对StCYP80B进行研究，发现第 205 位的组氨酸残基（H205）在乌药碱催化过程中至关重要。当该残基发生突变时，酶对乌药碱的催化活性显著下降，揭示了 H205 在催化机制中的关键作用。
组织特异性表达分析
研究还发现，StCYP80B在植物体内呈现出组织特异性表达模式，这为进一步了解其在千金藤中 BIAs 合成的时空调控机制提供了重要线索。
研究结论与讨论
本研究成功克隆并鉴定了千金藤中的StCYP80B基因，揭示了其在 BIAs 合成中的独特功能和作用机制。StCYP80B无需 N - 甲基基团即可催化乌药碱羟化的特性，拓展了 CYP80B 家族的底物范围，为 BIAs 合成途径的优化和设计提供了新的思路。与 CPR 的共表达研究以及关键氨基酸残基的鉴定，深入阐明了酶催化过程中的分子机制，为通过基因工程手段改造酶活性提供了理论依据。此外，StCYP80B的组织特异性表达模式，为研究 BIAs 在植物体内的合成与调控提供了重要的靶点。
这项研究不仅为 BIAs 的生物合成提供了新的遗传资源，进一步完善了其在天然植物系统中的合成路径，还为利用合成生物学技术大规模生产 BIAs 奠定了坚实的基础，有望解决其可持续来源受限的难题，在医药领域具有重要的应用前景。未来的研究可以进一步探索StCYP80B与其他相关酶的协同作用，优化合成途径，提高 BIAs 的生产效率，让这些 “植物小精灵” 能够更高效地为人类健康贡献力量。
