士的宁（Strychnine）是一种复杂的单萜吲哚生物碱，于1818年从植物马钱子的种子中分离出来，因其强烈的神经毒性而被用作杀虫剂来控制啮齿动物。在其分离大约130年后，Robinson于1946年、Woodward于1947年分别独立阐明了士的宁的化学结构。鲁滨逊指出，“就其分子大小而言，它是已知最复杂的物质”。几个世纪以来，士的宁通过其分离、结构阐明和合成在化学领域发挥了重要作用。其多环结构启发了化学家开发新的合成转换和策略，并于1954年完成了首次化学全合成。然而，植物是如何形成这种复杂结构目前尚不清楚。
有鉴于此，Max-Planck Institute for Chemical Ecology的Sarah E. O’Connor团队利用代谢物分析、转录组分析和本氏烟草中的酶学表征，解析了植物中参与士的宁和马钱子碱生物合成的一系列步骤及其相关的酶基因，揭示了士的宁生物合成的完整途径。
早在1948年就对士的宁的部分生物合成进行了推测，并通过对马钱子放射性同位素标记底物的喂养研究得到证实。研究表明，与所有单萜吲哚生物碱一样，士的宁来源于色氨酸和香叶基焦磷酸盐。
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为了鉴定士的宁生物合成基因，作者首先比较了两个Strychnos属的代谢产物，已知可产生士的宁S.nux-vomica1和不能产生士的宁Strychnos sp.。对其进行组织特异性RNA测序和分析后，确定了三个候选基因筛选标准：（1）马钱子根中的高表达（每千碱基转录物片段数/百万映射读取数（FPKM））≥ 20); （2）与假定的上游基因共表达；（3）能够编码具有催化功能的蛋白质的基因，这些基因与推测的生物合成途径的化学逻辑一致。根据这三个标准筛选出一系列士的宁生物合成候选基因。
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最后，通过表达这些候选基因，揭示了一条达波灵碱、士的宁和马钱子碱生物合成途径。
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以上研究结果为这种复杂的药理活性化合物通过代谢工程方法合成提供了可能。
参考文献：Biosynthesis of strychnine
Nature, 607, 617–622 (2022)
原文作者：Benke Hong, Dagny Grzech, Lorenzo Caputi, Prashant Sonawane, Carlos E. Rodríguez López, Mohamed Omar Kamileen, Néstor J. Hernández Lozada, Veit Grabe & Sarah E. O’Connor ✉
