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家們的關注和重視，誰先獲得一個物種的基因組信息，誰就能搶占自主創新的先機。

記者了解得知，在藥用植物和中藥資源領域，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研究的發展。不過，去年《自然》子刊 Nature Communications刊登的一篇關于基因組解析推動靈芝成為藥用模式真菌的論文，填補了這一研究領域的空白。這篇文章稱，中國醫學科學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靈芝藥用模式真菌的相關信息，近期，本刊特別采訪了承擔此次研究任務的課題組負責人陳士林博士。

陳士林博士現任中國中醫科學院中藥研究所所長、首席研究員，曾擔任中國醫學科學院藥用植物研究所所長，擁有豐富的中藥資源研究經驗。作為“中藥資源學”教育部長江學者與創新團隊的帶頭人、“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納入《中國藥典》，從基因層面為行業解決了“中藥材與其常見混偽品的物種識別”問題。同時，他負責的本草基因組計劃極大地推動了前沿生命科學技術在藥用植物和中藥領域的應用，為闡明藥用植物有效成分合成和調控奠定了基礎，有利于促進中藥與天然藥物的篩選和生物合成研究，加速中藥材優良品種的選育并促進中藥農業的科學化和規模化發展。

據記者了解，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、抗病毒和免疫調節等活性，被喻為生產活性化合物的細胞“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，易于在實驗室內培養和繁殖、世代短、子代多、遺傳背景清晰、容易進行實驗室操作、對人體和環境無害。與酵母等低等真菌相比，它有更復雜的有性生殖世代和更明顯的形態建成與分化；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和光學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，預期編碼了16113個基因，這些基因編碼了細胞色素P450s（CYPs）、轉運蛋白和調節蛋白等協同參與次級代謝的蛋白質。該基因組還編碼了在所有測序擔子菌中最豐富的一套木材降解相關酶，并鑒別出24個CYP基因簇。另外，課題組還發現了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，克服種種困難，通過反復試驗，獲得了完整度很高的基因組序列以及靈芝的光學圖譜，確定了靈芝的13條染色體，最終得到高質量靈芝基因組精細圖譜。

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素的酶，這種酶在生物質利用、纖維漂白和有機污染物降解等方面都具有重要的應用價值。靈芝基因組精細圖的完成，將加快靈芝在次生代謝物合成與調控、次生代謝與發育相關性等領域的研究。而各種功能基因的發現也為合成生物學研究奠定了基礎。此外，靈芝藥用模式生物的確立，還將促進國際傳統藥物學研究與現代生物學研究的結合，使中藥資源研究逐步走向生命科學前沿，為我國重大新藥創制研究提供新的思路和工具。課題組正努力在實驗室內通過體外合成獲得靈芝中的有效活性成分，以降低群眾的醫療成本。

據悉，負責此次研究的主體人員由擁有中藥學、分子生物學、生物信息學、天然產物化學等學科背景的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者創新團隊的大力支持。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現的功能基因進行深入研究，以期發現這些物種的次生代謝途徑和闡明其抗病抗逆等優良性狀遺傳機制。

近10年來，基因組學及其相關研究帶來的新信息、新知識和新技術跨越式地提升了人類對生命過程的全面認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作物相關研究的發展。本草基因組研究進一步闡明了中藥活性成分的合成途徑，為中藥合成生物學研究提供了豐富的生物學元件，也為更好地開展中藥合成生物學研究奠定了基礎。

記者了解到，“十二五”期間，中藥研究領域將繼續以臨床、企業需求的應用及應用基礎研究、生命科學的前沿研究、中醫知識產權標準化研究作為工作重點，在創新科研和管理體制，整合行業內外科技資源，建立和完善我國中醫藥科研服務體系，提升科技創新能力和防病治病能力，為產業化發展提供支撐能力，積極推進中醫藥的傳承與創新的同時，注重高層人才和創新團隊培養，努力加強基礎實驗平臺和臨床研究基地的建設，以標準化引領世界，促進中醫藥國際發展進程。