《South African Journal of Botany》：Transcriptomics and network pharmacology analyses reveal key genes in the biosynthesis of Benzylisoquinoline alkaloids in
Mahonia bealei and therapeutic targets for infectious and inflammatory diseases
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•这是首次报道M. bealei的转录组分析。•OMTs的表达水平与BIAs含量之间存在显著的正相关。•共有75个单拷贝基因参与BIAs的生物合成途径。•网络药理学分析鉴定出BIAs的潜在治疗靶点。•12个WRKY转录因子可能调控OMT和CYP450基因家族的表达。引言Mah
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这是首次报道M. bealei的转录组分析。
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OMTs的表达水平与BIAs含量之间存在显著的正相关。
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共有75个单拷贝基因参与BIAs的生物合成途径。
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网络药理学分析鉴定出BIAs的潜在治疗靶点。
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12个WRKY转录因子可能调控OMT和CYP450基因家族的表达。
引言
Mahonia bealei (Fortune) Carr是一种常绿灌木或小乔木，属于小檗属，广泛分布于东亚、欧洲和美洲（Dong等，2013；Liu等，2021）。M. bealei的干燥茎在中国药典（2020年版）中称为“功劳木”，用于治疗痢疾、黄疸、眼目肿痛、牙痛和湿疹（CP，2020）。在中医药中，M. bealei的叶子用于治疗咯血、骨蒸、头晕、耳鸣和腰膝无力，而果实则用于治疗泌尿系统和肾脏疾病（Hu等，2011）。此外，M. bealei也是多种复方制剂的重要成分，如“功劳去火片”、“痔疮片”和“妇科千金胶囊”，这些制剂常用于治疗急性咽炎、痔疮和子宫内膜炎（He和Mu，2015；Zhang等，2024）。
已成功鉴定出M. bealei中的化学成分，包括生物碱、挥发油、黄酮类和其他成分（Huang等，2019），其中苄基异喹啉生物碱（BIAs）是主要活性成分。BIAs具有多种药理性质，如抗癌、镇痛、抗菌、抗炎和免疫抑制作用（Chaturvedi等，1997；Kou等，2016；Zhong等，2020）。BIAs常见于罂粟科、木兰科、芸香科、小檗科和其他植物中（Zhang等，2021；Menéndez-Perdomo和Facchini，2023）。根据其基本骨架类型，BIAs可分为双苄基异喹啉、阿片酚、吗啡烷、原小檗碱、原白头翁碱和苯并菲啶（Narcross等，2016）。网络药理学是一门结合系统生物学与网络信息学的综合学科，广泛应用于药物开发，是研究中医药与疾病之间复杂关系的有效方法（Yu等，2017）。
BIAs的生物合成始于(S)-去甲考来灵，通过多巴胺与2-(4-羟基苯基)乙醛的缩合反应合成（Hagel和Facchini，2013）。关键中间体(S)-去甲考来灵通过多种O-甲基转移酶（OMTs）和P450酶CYP80B1的催化作用合成（Lee等，2024；An等，2024）。随后，它经历异构化、偶联、重排、甲基化和去甲基化，生成不同类型的BIAs（Singh等，2021）。在BIAs的生物合成途径中，甲基转移酶起着关键作用，因为它们负责BIAs的功能化，并作为上游合成BIAs的关键调控和限速酶（Morishige等，2000；Morishige等，2010）。
我们的研究通过高效液相色谱（HPLC）显示，M. bealei中BIAs的含量在不同部位存在差异，其中茎为主要药用部位，其次是叶子和果实。然而，关于该物种不同组织中基因表达模式的研究仍不为人知。因此，本研究旨在利用RNA测序技术获取M. bealei不同组织的转录组，该转录组分析有助于确定基因表达模式并鉴定与BIAs生物合成相关的基因。
部分摘要
植物材料和保存
新鲜的M. bealei于2023年5月从安徽中医药大学本草园（31°56'N, 117°24'E；中国安徽省合肥市）采集。标本由杨青山教授鉴定。从三株生长一致的小檗碱属植物中采集三种组织（果实、叶子和茎）。这些样本被随机分为两部分，一部分用纯水清洗后保存在-80°C以用于RNA提取。
小檗碱属植物中BIAs的测定
使用HPLC分析小檗碱属植物茎、叶和果实中的BIA含量显示，茎中BIAs的含量显著高于果实和叶子（图S1）。小檗碱的BIA含量最高，其次是黄柏碱和小檗碱，而黄连素含量最低。各组织间的BIA含量存在显著差异。然而，黄柏碱的含量在不同组织间没有显著差异。
讨论
小檗碱属植物是一种重要的传统中药材，在抗菌（Miyasaki等，2013）、抗炎（Yang等，2021）和抗氧化活性（Hu等，2019）方面发挥着重要作用，并显示出潜在的抗肿瘤效应（Ma等，2016）。这些效应的发挥主要归因于小檗碱属植物中丰富的BIAs化合物，如小檗碱、黄柏碱、小檗碱和黄连素（Zhang等，2014；Kakar等，2021）。
结论
总之，这些发现增进了我们对小檗碱属植物中BIAs生物合成调控机制的理解，并为该物种的OMT基因家族提供了见解。进一步的研究是确定已鉴定的酶编码基因在BIAs生物合成中的功能作用。基因工程或过表达技术为未来提高BIAs产量提供了有前景的途径。
资金来源
安徽中医药大学国家级培育项目，资助/奖励编号：2020PY02；中国安徽省自然科学基金，资助/奖励编号：2008085MH268；安徽省高等教育自然科学研究基金，资助/奖励编号：2022AH050474。
数据可用性
三组织M. bealei的RNA-seq数据集已存入NCBI序列读存档（SRA）数据库（BioProject：PRJNA1180920）。
CRediT作者贡献声明
金世波：数据整理、概念化。王智威：资金获取、正式分析。谢婉莹：方法论、调查。孙萌格：项目管理、方法论、调查。谢子阳：软件、资源、项目管理。吴佳文：可视化、验证、监督。陶一嘉：验证、监督、软件。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文所报道的工作。
金世波|王智威|谢婉莹|孙萌格|谢子阳|吴佳文|陶一嘉
