解码灵芝基因建立首个药用模式真菌

文/刘荣 李会会

随着人类基因组计划的完成和后基因组时代的到来，模式生物研究策略逐渐受到各国生物学家们的关注和重视，谁先获得一个物种的基因组信息，谁就能抢占自主创新的先机。

记者了解得知，在药用植物和中药资源领域，国际上一直没有建立药用模式物种，这在一定程度上限制了我国中药及天然药物相关研究的发展。不过，去年《自然》子刊 Nature Communications刊登的一篇关于基因组解析推动灵芝成为药用模式真菌的论文，填补了这一研究领域的空白。这篇文章称，中国医学科学院药用植物研究所的科研团队与美国、法国等国家的科研单位合作，成功解析灵芝基因组，使其成为中药活性成分生物合成研究的首个药用模式真菌，同时也是首个具有全基因组图谱的药用模式物种，该论文被Nature网站选为中国最佳研究亮点推介。

为了深入了解这次研究以及有关灵芝药用模式真菌的相关信息，近期，本刊特别采访了承担此次研究任务的课题组负责人陈士林博士。

陈士林博士现任中国中医科学院中药研究所所长、首席研究员，曾担任中国医学科学院药用植物研究所所长，拥有丰富的中药资源研究经验。作为“中药资源学”教育部长江学者与创新团队的带头人、“濒危药材繁育”国家工程实验室主任，他曾在国际上首次提出并验证ITS2序列作为药用植物鉴定的通用条形码，完成1100个常用中药材物种的DNA条形码鉴定研究，为中药材建立了通用的“分子鉴定身份证”。以ITS2为主体的中药材DNA条形码鉴定新方法体系已获准纳入《中国药典》，从基因层面为行业解决了“中药材与其常见混伪品的物种识别”问题。同时，他负责的本草基因组计划极大地推动了前沿生命科学技术在药用植物和中药领域的应用，为阐明药用植物有效成分合成和调控奠定了基础，有利于促进中药与天然药物的筛选和生物合成研究，加速中药材优良品种的选育并促进中药农业的科学化和规模化发展。

据记者了解，课题组这次之所以在众多药用植物中选择灵芝作为研究对象，是因为灵芝素有“仙草”的美誉，具有抗癌、抗高血压、抗病毒和免疫调节等活性，被喻为生产活性化合物的细胞“工厂”。目前，研究人员已从灵芝身上分离鉴定出400多种生物活性化合物。而且，灵芝具有鲜明的模式生物特征，易于在实验室内培养和繁殖、世代短、子代多、遗传背景清晰、容易进行实验室操作、对人体和环境无害。与酵母等低等真菌相比，它有更复杂的有性生殖世代和更明显的形态建成与分化；与高等药用植物相比，它有更小的基因组和更短的世代周期，是研究中药活性成分合成与调控的理想模式物种。

要使灵芝成为药用模式物种，先要对它的基因组信息进行解析。为此，陈士林课题组利用高通量测序技术和光学图谱方法对单核体灵芝菌株260125-1进行了全基因组测序和组装，获得了灵芝的全基因组图谱，组装得到的基因组大小约为43.3Mb，预期编码了16113个基因，这些基因编码了细胞色素P450s（CYPs）、转运蛋白和调节蛋白等协同参与次级代谢的蛋白质。该基因组还编码了在所有测序担子菌中最丰富的一套木材降解相关酶，并鉴别出24个CYP基因簇。另外，课题组还发现了78个与羊毛固醇合酶共表达的CYP基因，其中16个CYP显示与可特异羟化睾酮的真菌CYPs具有高度相似性，这说明它们可能在三萜类化合物生物合成中发挥作用。

陈士林（右一）与外国教授交谈

陈士林在办公室工作

值得一提的是，全世界至少有五家单位包括美国的联合基因组研究所（JGI）等同时都在进行灵芝基因组序列测定和组装，研究竞争十分激烈。陈士林课题组采用高通量测序技术，克服种种困难，通过反复试验，获得了完整度很高的基因组序列以及灵芝的光学图谱，确定了灵芝的13条染色体，最终得到高质量灵芝基因组精细图谱。

灵芝除了具有有效活性成分外，还能分泌可降解纤维素和木质素的酶，这种酶在生物质利用、纤维漂白和有机污染物降解等方面都具有重要的应用价值。灵芝基因组精细图的完成，将加快灵芝在次生代谢物合成与调控、次生代谢与发育相关性等领域的研究。而各种功能基因的发现也为合成生物学研究奠定了基础。此外，灵芝药用模式生物的确立，还将促进国际传统药物学研究与现代生物学研究的结合，使中药资源研究逐步走向生命科学前沿，为我国重大新药创制研究提供新的思路和工具。课题组正努力在实验室内通过体外合成获得灵芝中的有效活性成分，以降低群众的医疗成本。

据悉，负责此次研究的主体人员由拥有中药学、分子生物学、生物信息学、天然产物化学等学科背景的20多名青年科技人才组成，研究得到了国家自然基金委重点项目和教育部长江学者创新团队的大力支持。作为本草基因组计划的一部分，下一步课题组将对此次研究中发现的功能基因进行深入研究，以期发现这些物种的次生代谢途径和阐明其抗病抗逆等优良性状遗传机制。

近10年来，基因组学及其相关研究带来的新信息、新知识和新技术跨越式地提升了人类对生命过程的全面认识和按照需求合成或改造生命的能力。模式植物拟南芥和水稻基因组信息的获得，在很大程度上加速了农作物相关研究的发展。本草基因组研究进一步阐明了中药活性成分的合成途径，为中药合成生物学研究提供了丰富的生物学元件，也为更好地开展中药合成生物学研究奠定了基础。

记者了解到，“十二五”期间，中药研究领域将继续以临床、企业需求的应用及应用基础研究、生命科学的前沿研究、中医知识产权标准化研究作为工作重点，在创新科研和管理体制，整合行业内外科技资源，建立和完善我国中医药科研服务体系，提升科技创新能力和防病治病能力，为产业化发展提供支撑能力，积极推进中医药的传承与创新的同时，注重高层人才和创新团队培养，努力加强基础实验平台和临床研究基地的建设，以标准化引领世界，促进中医药国际发展进程。