中國(guó)科學(xué)家利用新技術(shù)產(chǎn)出高水平抗瘧疾化合物

青蒿素是一種有效的抗瘧疾化合物，由中國(guó)的灌木蒿自然產(chǎn)生，通常被稱為青蒿。然而，目前這種植物葉子中產(chǎn)生的青蒿素含量較低，并不能滿足全球的需求。

4月24日發(fā)表在《分子植物》雜志上的一項(xiàng)研究中，中國(guó)的研究人員報(bào)告了a . annua的高質(zhì)量的基因組序列，以及他們對(duì)這些信息的使用，基因表達(dá)數(shù)據(jù)，以代謝產(chǎn)生高水平的青蒿素。

“世界上將近一半的人口面臨著瘧疾的危險(xiǎn)，我們對(duì)青蒿素大規(guī)模生產(chǎn)的戰(zhàn)略將滿足對(duì)這種藥用化合物日益增長(zhǎng)的需求，并有助于解決這一全球健康問(wèn)題。”

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，2016年，瘧疾影響了91個(gè)國(guó)家的約2.16億人，僅在當(dāng)年就造成了44.5萬(wàn)人死亡。惡性瘧原蟲(chóng)是非洲大陸上最常見(jiàn)的瘧疾寄生蟲(chóng)，它是全球瘧疾相關(guān)死亡的罪魁禍?zhǔn)住?*的治療瘧疾的方法，特別是對(duì)惡性瘧原蟲(chóng)造成的病例，是基于青蒿素的聯(lián)合治療。除抗瘧活性外，還報(bào)道了對(duì)癌癥、結(jié)核病和糖尿病的治療作用。然而，青蒿素的供應(yīng)是有限的，因?yàn)檫@種藥用化合物通常只占青蒿葉干重的0.1%-1.0%。

為了充分利用這種化合物的治療潛力，研究人員開(kāi)發(fā)了旨在增強(qiáng)青蒿素生物合成通路基因表達(dá)的代謝工程策略。然而，這些努力并沒(méi)有產(chǎn)生青蒿素水平高的青蒿素，主要是因?yàn)樗麄冎魂P(guān)注青蒿素生物合成途徑的上游或下游的基因表達(dá)。代謝工程策略的一個(gè)主要障礙是缺乏參考基因組序列和有關(guān)調(diào)控青蒿素生物合成的基因的有限信息。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員們生成了一個(gè)高質(zhì)量的1.74 gigabase a . annua基因組的草案，其中包含了63，226個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，這是序列植物物種中數(shù)量最多的一個(gè)。由于其龐大的體積和高度的復(fù)雜性，它花了好幾年時(shí)間才完成了基因組序列。該研究增加了大量關(guān)于菊科的信息，這是由超過(guò)23，600種草本植物、灌木和樹(shù)木組成的**的植物家族之一，分布在世界各地，包括許多具有相當(dāng)大的藥用、裝飾性和經(jīng)濟(jì)重要性的植物。

“在基礎(chǔ)和育種科學(xué)中對(duì)星科資源的開(kāi)發(fā)的主要障礙是缺乏參考基因組序列；到目前為止，只有向日葵和菊花的基因組被釋放。我們提供的a . annua基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)將是植物進(jìn)化和其他話題以及應(yīng)用育種項(xiàng)目的基礎(chǔ)生物學(xué)研究的寶貴財(cái)富。”

特別重要的是，A. annua基因組序列為參與青蒿素生物合成的整個(gè)代謝途徑提供了新的見(jiàn)解。對(duì)蛋白質(zhì)編碼基因和基因表達(dá)模式的分析揭示了在青蒿素生物合成基礎(chǔ)上的復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了調(diào)控青蒿素生物合成的新基因。通過(guò)同時(shí)增加三個(gè)基因的活性，HMGR、FPS和DBR2，跨越了整個(gè)青蒿素生物合成途徑，研究人員生成了A. annua線，產(chǎn)生了高的青蒿素水平，占葉片干重的3.2%。

利用這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將青蒿素豐富的種子樣本送到了馬達(dá)加斯加，這個(gè)非洲國(guó)家種植了最多的a . annua，用于田間試驗(yàn)。他們還在繼續(xù)探索提高青蒿素產(chǎn)量的方法，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)A. annua系列，其葉片中含有5%的青蒿素。

“我們希望我們的研究能夠提高青蒿素的全球供應(yīng)，并降低植物源的價(jià)格，擴(kuò)大了這些植物的產(chǎn)量。希望我們的高青蒿素轉(zhuǎn)基因品種將在明年大規(guī)模種植。”