红景天苷（Salidroside）是一种具有多种生物活性（如抗疲劳、抗缺氧、抗氧化）的珍贵苷类化合物，市场需求大。目前红景天苷主要从珍稀植物红景天中直接提取，资源有限。通过合成生物学在微生物中生产是替代方案，但需要找到高效、特异性强的糖基转移酶（UGT）。植物基因组中含有大量UGT基因，但通过传统的序列比对和共表达分析进行功能鉴定费时费力。

2025年2月，武汉大学药学院、中南医院药学研究院鲁丽课题组，发表了基于预测蛋白结构的虚拟筛选高效挖掘植物糖基转移酶的文章，该研究成功开发并验证了一套结合全长转录组测序与结构虚拟筛选的高效方法，从一个未被充分研究的草本植物落新妇（Astilbe chinensis） 中，快速鉴定出能够高效催化合成珍贵天然产物红景天苷的糖基转移酶（UGT），并深入揭示了其催化机制和底物选择性的结构基础。该成果发表在期刊Plant Biotechnology Journal上，文章题目“Structure-based virtual screening aids the identification of glycosyltransferases in the biosynthesis of salidroside”。诺禾致源为本研究提供了全长转录组相关建库测序服务。

主要结论

1.通过整合转录组测序和虚拟筛选来表征候选UGT

文章利用PacBio（长读长）和Illumina（短读长）混合测序，为这种缺乏基因组信息的植物（落新妇）构建了高质量的全长转录组。从中鉴定出82个UGT基因，通过差异表达基因分析筛选出49个在根茎中高表达的候选基因。使用RoseTTAFold预测了49个候选UGT的三维结构。通过与其他已知UGT晶体结构（Bc7OUGT）比对，确定了糖供体（UDP-葡萄糖）的结合位置，并据此定义了邻近的底物结合口袋。使用AutoDock Vina将底物酪醇（Tyrosol） 对接到每个UGT的预测结构中。通过进一步分析UGT的关键催化His残基、糖供体和糖受体之间的距离和角度，筛选到Ach15909, Ach17173, Ach16750 三个最优候选基因。

图1 基于全长转录组的糖基转移酶基因筛选

图2 基于结构的糖基转移酶虚拟筛选

2.酶学特性和关键残基鉴定

通过在大肠杆菌中异源表达蛋白，证实Ach15909和Ach16750能催化合成红景天苷，且Ach15909活性最高（接近100%转化率）。以酪醇为底物，测量了Ach15909的催化和动力学参数，在已报道的具有相同功能的酶中，其酶活性最高，同时测试了pH值、温度和金属离子对其催化活性的影响。通过分子对接模型和点突变实验，证实了 His22（催化碱基）、Gln403（氢键）、Phe400（π-π堆积） 是催化过程中的关键残基。测试了60种不同底物，发现Ach15909偏好分子体积 < 150 Å的小分子底物。

图3 Ach15909的功能表征和催化特性

3.Ach15909结构域间连接区域（linker）的功能

研究发现结构域连接区（Val256-Glu282） 具有高度柔性，它可能充当底物结合袋的入口。将Ach15909的连接区替换为来自UGT85H2（PDB ID： 2PQ6）的连接区形成嵌合酶，结果显示，其对原有小底物（如酪醇）的活性丧失或降低，但却获得了催化更大体积底物（如黄酮类）的能力。表明连接区并非无功能的“铰链”，它通过调节N端和C端结构域之间裂隙的大小和柔性，直接控制了底物的识别和容纳范围，是酶底物复杂性的关键决定因素。

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表1 公海贵宾会Kinnex全长转录组产出经验

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参考文献：

[1] Yao Y, Chen F, Wu C, Chang X, Cheng W, Wang Q, Deng Z, Liu T, Lu L. Structure-based virtual screening aids the identification of glycosyltransferases in the biosynthesis of salidroside. Plant Biotechnol J. 2025 May;23(5):1725-1735. doi: 10.1111/pbi.70002.