代謝基因簇（Biosynthetic Gene Cluster）在低等生物細菌和真菌中大量存在，編碼一系列重要的次生代謝小分子，比如抗生素和抗病素等等。近年來，在植物中也發現了類似細菌中操縱子的代謝基因簇。這些基因簇由多個來源於不同酶家族的基因在染色體上緊密連鎖構成。和操縱子不同，植物基因簇的基因有自己獨立的啟動子，協同表達編碼共同的特異代謝通路。過去十年來，越來越多決定重要農藝性狀或者有重要醫用價值的植物特生代謝小分子（specialized/secondary metabolites）被發現是由基因簇編碼的。比如，黃瓜中的苦味物質葫蘆素C（Cucurbitacin C），罌粟中提煉的抗癌生物鹼諾斯卡品（Noscapine）等都是由基因簇參與編碼合成的。然而，關於植物基因簇的組裝與分化的分子機理一直知之甚少。
近日，John Innes Centre (英國約翰英納斯研究中心) Anne Osbourn實驗室在自然通訊（Nature Communications）上在線發表了題為「Formation and diversification of a paradigm biosynthetic gene cluster in plants」的研究論文。該研究為理解植物代謝基因簇的發生，發育與分化提供了新的見解。
該研究系統地研究了十字花科植物中一個經典的三萜基因簇（the thalianol gene cluster）在物種間和物種內的多樣性組成。該基因簇由三萜酸合成酶（OSC），細胞色素P450酶（CYP）和乙醯基轉移酶（ACT）等構成。研究人員結合基因組學，轉錄組學和代謝組學等方法，發現該三萜基因簇大約起始於580萬年前，主要存在於擬南芥（Arabidopsis thaliana）和琴葉擬南芥（Arabidopsis lyrata）的祖先物種中。雖然構成該基因簇的各個酶的生化功能在物種間高度保守，但是在擬南芥中兩個與核心基因簇不連鎖的還原酶基因參與了三萜酸化學結構的進一步分化，產生了新的物種特異的天然小分子。進一步通過群體遺傳學的方法，研究人員系統地研究了該基因簇在1135個擬南芥生態型基因組中多態性。該基因簇的單個基因在絕大多數擬南芥生態型中結構和功能保守，受到自然選擇地負向選擇。如果將基因簇作為一個整體，其在連鎖不平衡（linkage disequilibrium）全基因組圖譜中表現出區域共進化的特徵，表明代謝基因簇基因連鎖受到自然選擇正向選擇壓的作用。自然選擇正反兩個方向的選擇壓可能為基因簇的組裝與分化提供了進化動力。
特別有意思的是，該研究還分析了該三萜基因簇在22個從頭測序和組裝的擬南芥基因組中的結構多樣性，發現約80%的基因簇有染色體倒置（chromosomal inversions）參與的基因靠近現象。這是在分子水平上第一次找到了基因簇中的基因如何從不連鎖到緊密連鎖的可能組裝機制。該發現為研究真核生物基因組的基因重排，基因組進化，小分子代謝通路的多樣性，合成生物學預測和發現新的代謝通路等都有重要的指導意義。
染色體倒置參與代謝基因簇的組裝模式圖
英國約翰英納斯研究中心為論文的第一完成單位，該中心中國博士後劉振華（現為上海交通大學農業與生物學院副教授，博士生導師，獨立PI）為該論文的第一作者。Anne Osbourn教授為論文通訊作者。英國諾丁漢大學Levi-Yant教授研究組也參與了該工作。該項目受到英國生物科學與技術基金（BBSRC）和英國植物合成生物學自然基金（OpenPalnt）等項目的資助。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19153-6
劉振華副教授上海交通大學主頁網址：
http://www.agri.sjtu.edu.cn/Data/View/5340?locale=zh&tenantUserId=zhenhua.liu
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