海參皂苷合成和夏眠調控機制研究

責編丨迦 漵

圖片來源於網路。

海參（Sea cucumbers ）作為海產八珍之一，具有重要的營養價值和藥用價值【1】，素有「陸有人蔘，海有海參（Marine Ginseng）」之說。據研究海參含有豐富的海參皂苷，是其藥用價值的主要組分，具有增強機體免疫力、抗腫瘤、抗菌等多種重要生物活性。皂苷（saponins）作為一類重要的次生代謝產物，其合成廣泛存在於植物界中，但僅少數動物中（如海參、海星）存在合成能力，這些動物是如何獲得皂苷合成能力的？長久以來一直是個未解之謎。

2018年6月26日，Cell Research姊妹刊Cell Discovery在線發表了中國海洋大學海洋生物遺傳學與育種教育部重點實驗室包振民院士團隊與大連海洋大學、遼寧海洋水產科學研究院、英國約翰英納斯中心等單位研究人員合作的最新論文Sea cucumber genome provides insights into saponin biosynthesis and aestivation regulation，通過海參基因組和轉錄組利用多組學手段在解析了海參皂苷合成和夏眠調控機制。

在這項研究中，研究人員通過深度解析仿刺參（Apostichopus japonicus）基因組發現，海參通過改造動物經典膽固醇合成途徑而具備了合成皂苷的能力。仿刺參基因組中不具有完備的膽固醇合成通路基因，因而不能從頭合成膽固醇，然而令人驚訝的是，動物膽固醇合成途徑中的關鍵基因LAS（羊毛固醇合酶）在仿刺參中通過快速趨同進化獲得植物類基序（plant-like motifs），從而使其實現從膽固醇合成轉換至皂苷合成（下圖）。

圖1. 海參皂苷合成途徑及與經典動植物固醇/皂苷合成途徑的比較

體外酵母實驗證實，海參LAS1基因的催化產物正是海參皂苷的合成前體--帕克醇。這一原創性發現不僅解答了動物獲得皂苷合成能力的進化起源之謎，也為實現海參皂苷體外生物工程合成提供了新思路。

夏眠（aestivation）是海參所具有的一種獨特的環境適應策略，其通過夏眠降低機體代謝率以適應夏季高溫脅迫，但目前對海參夏眠的分子調控機制尚不清晰。研究團隊發現海參體壁是受夏眠影響最大的器官，通過構建基因共表達網路篩查確定夏眠調控的關鍵模塊和重要信號通路，發現轉錄因子Klf2和Egr1為海參夏眠的關鍵調控基因，其可能通過調控生物節律基因(「清醒」基因Clock,Bmal和「睡眠」基因Cry)，決定海參夏眠啟動和解除的時機。

上述發現首次揭示了動物夏眠是受生物節律基因調控的生物學過程。研究團隊還發現海參夏眠期間代謝率降低是由DNA甲基化介導的多種代謝途徑的基因表達抑制所導致，而生物體中一些重要的細胞信號通路，如Wnt、Hippo和FGF等信號通路在腸道退化後的再生過程中起重要調控作用。

圖2. 海參夏眠調控的分子機理模式圖

總的來說，上述研究拓展和加深了對棘皮動物皂苷生物合成和夏眠調控分子機制的認識，為理解棘皮動物適應性性狀的進化起源提供了新認知。

中國海洋大學包振民教授和王師教授、大連海洋大學常亞青教授、遼寧海洋水產科學研究院周遵春研究員為本文通訊作者。

參考文獻

1. Kiew, P. L. & Don, M. M. Jewel of the seabed: Sea cucumbers as nutritional and drug candidates.Int. J. Food Sci. Nutr.63, 616–636 (2012).

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