青岛
近日，中国海洋大学海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室包振民院士和方宗熙-萨斯海洋分子生物学研究中心王师教授团队在贝类同形性染色体进化、海参皂苷合成机制解析等方面取得重要进展。研究成果分别以“Ancient homomorphy of molluscan sex chromosomes sustained by reversible sex-biased genes and sex determiner translocation”和“Biosynthesis of saponin defensive compounds in sea cucumber”为题发表在Nature Ecology & Evolution和Nature Chemical Biology。上述研究是该团队继扇贝、仿刺参基因组和转录组解析工作之后（Nature Ecology & Evolution，2017封面论文；Nature Communications，2017；Cell Discovery 2018；Nature Ecology & Evolution，2020亮点论文)，在海洋生物遗传和进化领域持续取得的重要标志性成果。
图1. 本研究提出的性染色体进化的新模型
海参作为海产八珍之一，具有重要的营养价值和药用价值，素有“陆有人参，海有海参”之说。海参含有丰富的海参皂苷，是其药用价值的主要组分，具有增强机体免疫力、抗肿瘤、抗菌等多种重要生物活性。皂苷合成广泛存在于植物界中，但仅少数动物中（如海参、海星）存在合成能力，作为先天免疫系统的重要组分，发挥着化学防御的关键作用。那么这些动物是如何获得皂苷合成能力的？长久以来一直是个未解之谜。团队前期的研究工作发现，动物胆固醇合成途径中的关键基因LSS（羊毛固醇合酶）通过快速趋同进化获得植物类基序，从而使海参获得皂苷合成能力（Cell Discovery 2018）。通过与英国约翰英纳斯中心Anne Osbourn教授团队深入合作，本研究进一步确证了LSS基因为海参皂苷合成的关键基因，并通过大量酵母突变实验，揭示该基因第444位氨基酸突变是导致从胆固醇合成途径向皂苷合成途径转换的关键。本研究还发现，LSS基因在海参中通过基因复制和新功能化，产生两个不同功能的氧化角鲨烯环化酶OSCs（PS和LDS），其中PS和LDS可合成不同种类的三萜类皂苷（“矛”），作为海参化学防御的物质基础，而PS还可同时合成特殊的抗皂苷固醇（“盾”），帮助海参自身细胞耐受皂苷毒性。团队前期研究和该最新研究共同解答了海参如何合成具细胞毒性皂苷，而自身却无碍的双重谜团，即通过LSS基因的加倍后双向功能分化，从而产生其生化武器皂苷的“矛”和“盾”。这一原创性发现不仅解答了动物获得皂苷合成能力的进化起源之谜，也为实现海参皂苷体外生物工程合成提供了新思路。该研究成果在Nature Chemical Biology发表后，得到国际同行的高度关注，并被美国科学促进会EurekAlert、ScienceDaily、TheScientist等多家国际知名媒体广泛报道和高度评价。
图2. 海参皂苷合成途径与经典动植物固醇合成途径比较
Sea cucumber genome provides insights into saponin biosynthesis and aestivation regulation（Cell Discov）：
https://www.nature.com/articles/s41421-018-0030-5/
本文来源：中国海洋大学
