卡痛树中单萜吲哚生物碱的酶促差向异构化机制及其在螺环氧化吲哚生物碱合成中的应用

本研究揭示了卡痛树(Mitragyna speciosa)中非经典3R构型单萜吲哚生物碱(MIAs)的生物合成机制。研究人员发现BBE-like氧化酶MsCO1与异黄酮还原酶样异构酶MsDCR1/2通过氧化-还原级联反应，将Pictet-Spengler缩合产生的3S-MIAs差向异构化为3R-MIAs，并证实该途径是螺环氧化吲哚生物碱(如mitraphylline)的前体合成关键。该发现为镇痛药和抗帕金森病药物开发提供了新思路。

　　

自然界中存在一类神奇的植物分子——单萜吲哚生物碱(MIAs)，它们既是植物抵御天敌的化学武器，也是人类药物宝库的重要来源。从抗癌药长春碱到降压药利血平，这些结构复杂的分子展现出了惊人的药用价值。然而在这些分子中，存在一个长期困扰科学家的谜题：绝大多数MIAs通过Pictet-Spengler缩合反应形成3S构型，但少数具有药理活性的MIAs却呈现罕见的3R构型。这种特殊构型如何产生？这个问题在东南亚传统药用植物卡痛树(Mitragyna speciosa)中显得尤为突出，因为该植物同时产生3S构型的镇痛成分mitragynine和3R构型的speciociliatine。

来自马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)的Allwin McDonald和Sarah E. O'Connor团队在《Nature Chemical Biology》发表的研究解开了这个谜团。研究人员通过代谢组学分析发现卡痛树幼叶中积累了大量iminium中间体(20S)-3-dehydrocorynantheidine(DHC)，这个关键发现为阐明3R-MIAs的生物合成途径提供了重要线索。

研究采用了多组学联用策略：通过稳定同位素标记示踪确定代谢流走向；利用共表达网络分析筛选候选基因；结合农杆菌介导的本氏烟瞬时表达系统验证酶功能；采用AlphaFold3建模和分子对接阐明催化机制。特别值得注意的是，研究人员创新性地开发了跨物种序列相似性网络(SSN)分析方法，成功从卡痛树、钩藤属植物和咖啡等植物的转录组中鉴定出Naucleeae部落特有的基因簇。

研究结果可分为四个关键发现：

1. 发现新型iminium中间体
   代谢分析揭示卡痛树幼叶中积累(20S)-3-DHC(13a)和3-dehydromitragynine(14a)两种iminium物种，NaBH₄还原实验证实它们可立体选择性地转化为3S-MIAs。同位素标记实验显示3R-MIAs主要在幼茎中合成，而成熟叶中主要积累3S-MIAs。

1. 鉴定氧化还原酶对MsCO1/MsDCR1
   通过SSN分析发现BBE-like氧化酶MsCO1能特异性催化(20S)-corynantheidine(3a)氧化为DHC(13a)，但对mitragynine(5a)无活性。与其配对的MsDCR1属于异黄酮还原酶家族，能立体选择性地将DHC还原为(20S)-isocorynantheidine(6a,3R)。分子对接显示MsDCR1活性位点邻近的loop结构决定其3R选择性。

1. 阐明底物广谱性
   MsCO1/MsDCR1对多种MIA骨架具有催化活性，包括corynanthe型(3a)、heteroyohimbine型(THA 10a)和yohimbine型(20a)生物碱。特别重要的是，该途径产生的3R-MIAs能被细胞色素P450酶MsSAS转化为具有神经保护活性的螺环氧化吲哚生物碱(如mitraphylline 12b)。

2. 重构完整生物合成途径
   在本氏烟中成功重构从色胺(1)到螺环氧化吲哚(8a/8b)的完整途径，证实20S和20R系列MIAs均可通过该途径转化为相应产物。

这项研究不仅解决了MIA生物合成领域的关键科学问题，还具有重要的应用价值：首先，鉴定的MsCO1/MsDCR1-MsSAS级联反应为规模化生产3R-MIAs及其衍生物提供了生物催化工具；其次，发现的DHC(13a)可能是卡痛树中多种活性生物碱的共同前体；最后，研究揭示的组织特异性代谢模式(幼叶合成iminium，茎/根转化3R-MIAs)为解析植物次生代谢产物的长距离转运机制提供了新视角。该成果为开发基于3R-MIAs的新型镇痛药和神经保护剂奠定了分子基础。