解碼靈芝基因建立首個藥用模式真菌

文/劉榮 李會會

隨著人類基因組計劃的完成和后基因組時代的到來，模式生物研究策略逐漸受到各國生物學(xué)家們的關(guān)注和重視，誰先獲得一個物種的基因組信息，誰就能搶占自主創(chuàng)新的先機。

記者了解得知，在藥用植物和中藥資源領(lǐng)域，國際上一直沒有建立藥用模式物種，這在一定程度上限制了我國中藥及天然藥物相關(guān)研究的發(fā)展。不過，去年《自然》子刊 Nature Communications刊登的一篇關(guān)于基因組解析推動靈芝成為藥用模式真菌的論文，填補了這一研究領(lǐng)域的空白。這篇文章稱，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所的科研團隊與美國、法國等國家的科研單位合作，成功解析靈芝基因組，使其成為中藥活性成分生物合成研究的首個藥用模式真菌，同時也是首個具有全基因組圖譜的藥用模式物種，該論文被Nature網(wǎng)站選為中國最佳研究亮點推介。

為了深入了解這次研究以及有關(guān)靈芝藥用模式真菌的相關(guān)信息，近期，本刊特別采訪了承擔(dān)此次研究任務(wù)的課題組負(fù)責(zé)人陳士林博士。

陳士林博士現(xiàn)任中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所所長、首席研究員，曾擔(dān)任中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所所長，擁有豐富的中藥資源研究經(jīng)驗。作為“中藥資源學(xué)”教育部長江學(xué)者與創(chuàng)新團隊的帶頭人、“瀕危藥材繁育”國家工程實驗室主任，他曾在國際上首次提出并驗證ITS2序列作為藥用植物鑒定的通用條形碼，完成1100個常用中藥材物種的DNA條形碼鑒定研究，為中藥材建立了通用的“分子鑒定身份證”。以ITS2為主體的中藥材DNA條形碼鑒定新方法體系已獲準(zhǔn)納入《中國藥典》，從基因?qū)用鏋樾袠I(yè)解決了“中藥材與其常見混偽品的物種識別”問題。同時，他負(fù)責(zé)的本草基因組計劃極大地推動了前沿生命科學(xué)技術(shù)在藥用植物和中藥領(lǐng)域的應(yīng)用，為闡明藥用植物有效成分合成和調(diào)控奠定了基礎(chǔ)，有利于促進中藥與天然藥物的篩選和生物合成研究，加速中藥材優(yōu)良品種的選育并促進中藥農(nóng)業(yè)的科學(xué)化和規(guī)?；l(fā)展。

據(jù)記者了解，課題組這次之所以在眾多藥用植物中選擇靈芝作為研究對象，是因為靈芝素有“仙草”的美譽，具有抗癌、抗高血壓、抗病毒和免疫調(diào)節(jié)等活性，被喻為生產(chǎn)活性化合物的細(xì)胞“工廠”。目前，研究人員已從靈芝身上分離鑒定出400多種生物活性化合物。而且，靈芝具有鮮明的模式生物特征，易于在實驗室內(nèi)培養(yǎng)和繁殖、世代短、子代多、遺傳背景清晰、容易進行實驗室操作、對人體和環(huán)境無害。與酵母等低等真菌相比，它有更復(fù)雜的有性生殖世代和更明顯的形態(tài)建成與分化；與高等藥用植物相比，它有更小的基因組和更短的世代周期，是研究中藥活性成分合成與調(diào)控的理想模式物種。

要使靈芝成為藥用模式物種，先要對它的基因組信息進行解析。為此，陳士林課題組利用高通量測序技術(shù)和光學(xué)圖譜方法對單核體靈芝菌株260125-1進行了全基因組測序和組裝，獲得了靈芝的全基因組圖譜，組裝得到的基因組大小約為43.3Mb，預(yù)期編碼了16113個基因，這些基因編碼了細(xì)胞色素P450s（CYPs）、轉(zhuǎn)運蛋白和調(diào)節(jié)蛋白等協(xié)同參與次級代謝的蛋白質(zhì)。該基因組還編碼了在所有測序擔(dān)子菌中最豐富的一套木材降解相關(guān)酶，并鑒別出24個CYP基因簇。另外，課題組還發(fā)現(xiàn)了78個與羊毛固醇合酶共表達的CYP基因，其中16個CYP顯示與可特異羥化睪酮的真菌CYPs具有高度相似性，這說明它們可能在三萜類化合物生物合成中發(fā)揮作用。

陳士林（右一）與外國教授交談

陳士林在辦公室工作

值得一提的是，全世界至少有五家單位包括美國的聯(lián)合基因組研究所（JGI）等同時都在進行靈芝基因組序列測定和組裝，研究競爭十分激烈。陳士林課題組采用高通量測序技術(shù)，克服種種困難，通過反復(fù)試驗，獲得了完整度很高的基因組序列以及靈芝的光學(xué)圖譜，確定了靈芝的13條染色體，最終得到高質(zhì)量靈芝基因組精細(xì)圖譜。

靈芝除了具有有效活性成分外，還能分泌可降解纖維素和木質(zhì)素的酶，這種酶在生物質(zhì)利用、纖維漂白和有機污染物降解等方面都具有重要的應(yīng)用價值。靈芝基因組精細(xì)圖的完成，將加快靈芝在次生代謝物合成與調(diào)控、次生代謝與發(fā)育相關(guān)性等領(lǐng)域的研究。而各種功能基因的發(fā)現(xiàn)也為合成生物學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。此外，靈芝藥用模式生物的確立，還將促進國際傳統(tǒng)藥物學(xué)研究與現(xiàn)代生物學(xué)研究的結(jié)合，使中藥資源研究逐步走向生命科學(xué)前沿，為我國重大新藥創(chuàng)制研究提供新的思路和工具。課題組正努力在實驗室內(nèi)通過體外合成獲得靈芝中的有效活性成分，以降低群眾的醫(yī)療成本。

據(jù)悉，負(fù)責(zé)此次研究的主體人員由擁有中藥學(xué)、分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、天然產(chǎn)物化學(xué)等學(xué)科背景的20多名青年科技人才組成，研究得到了國家自然基金委重點項目和教育部長江學(xué)者創(chuàng)新團隊的大力支持。作為本草基因組計劃的一部分，下一步課題組將對此次研究中發(fā)現(xiàn)的功能基因進行深入研究，以期發(fā)現(xiàn)這些物種的次生代謝途徑和闡明其抗病抗逆等優(yōu)良性狀遺傳機制。

近10年來，基因組學(xué)及其相關(guān)研究帶來的新信息、新知識和新技術(shù)跨越式地提升了人類對生命過程的全面認(rèn)識和按照需求合成或改造生命的能力。模式植物擬南芥和水稻基因組信息的獲得，在很大程度上加速了農(nóng)作物相關(guān)研究的發(fā)展。本草基因組研究進一步闡明了中藥活性成分的合成途徑，為中藥合成生物學(xué)研究提供了豐富的生物學(xué)元件，也為更好地開展中藥合成生物學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

記者了解到，“十二五”期間，中藥研究領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)以臨床、企業(yè)需求的應(yīng)用及應(yīng)用基礎(chǔ)研究、生命科學(xué)的前沿研究、中醫(yī)知識產(chǎn)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化研究作為工作重點，在創(chuàng)新科研和管理體制，整合行業(yè)內(nèi)外科技資源，建立和完善我國中醫(yī)藥科研服務(wù)體系，提升科技創(chuàng)新能力和防病治病能力，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供支撐能力，積極推進中醫(yī)藥的傳承與創(chuàng)新的同時，注重高層人才和創(chuàng)新團隊培養(yǎng)，努力加強基礎(chǔ)實驗平臺和臨床研究基地的建設(shè)，以標(biāo)準(zhǔn)化引領(lǐng)世界，促進中醫(yī)藥國際發(fā)展進程。