Cell：中科院揭示尼古丁完整合成通路，破解70多年謎題

尼古丁是煙草中一種具有強(qiáng)烈致癮性的強(qiáng)效殺蟲堿性物質(zhì)，它塑造了人類歷史、農(nóng)業(yè)以及產(chǎn)生這種物質(zhì)的植物。然而，尼古丁生物合成過程中的酶促步驟和反應(yīng)機(jī)制仍不為人所知。

2026年4月1日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李大鵬團(tuán)隊(duì)在Cell在線發(fā)表題為“Complete biosynthesis of nicotine”的研究論文，該研究揭示了最終的偶聯(lián)反應(yīng)是由尿苷二磷酸（UDP）-糖基轉(zhuǎn)移酶通過糖基化作用而穩(wěn)定形成的，該酶受到 A622 的抑制并被激活，通過立體選擇性分子間Mannich類似反應(yīng)進(jìn)行縮合，隨后由一種類似小檗堿橋接酶（BBL）依次進(jìn)行氧化，最后由β-葡萄糖苷酶進(jìn)行去糖基化，從而生成尼古丁。

在液泡膜上形成一個由 5 種成分組成的代謝單元，以引導(dǎo)尼古丁的生物合成及其運(yùn)輸。在體外和異源細(xì)胞內(nèi)重組了這個代謝單元。任何一種成分的缺失都會導(dǎo)致尼古丁積累的減少。一種多藥和毒物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對于在異源植物物種中高效構(gòu)建尼古丁的生產(chǎn)過程至關(guān)重要，這賦予了植物對害蟲的抵抗力。這項(xiàng)研究完成了尼古丁的生物合成途徑，并對分子間的Mannich類似反應(yīng)提供了關(guān)鍵的見解。這種反應(yīng)是許多植物生物堿形成骨架結(jié)構(gòu)的基本機(jī)制。

尼古丁是一種主要存在于大多數(shù)煙草（尼古丁屬植物）物種中的精神活性生物堿，由于其具有成癮性，因此在人類社會中扮演了數(shù)千年來的復(fù)雜角色。尼古丁于 1828 年首次被分離出來，其結(jié)構(gòu)于 1893 年得到描述，并于 1904 年被合成。1950 年代，一項(xiàng)開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)——即標(biāo)記前體能夠被整合到完整的煙草植物中的尼古丁中——推動了對其生物合成的眾多研究，而沒有其他生物堿曾受到如此深入的研究。這些研究揭示了尼古丁的 5 基和 6 基氮含雜環(huán)是由兩條獨(dú)立途徑產(chǎn)生的。

從吡咯烷分支中合成 5 基環(huán)的生物合成過程幾十年前就已得到描述，它涉及鳥氨酸脫羧酶（ODC）對鳥氨酸的脫羧作用，從而產(chǎn)生腐胺，隨后由腐胺 N-甲基轉(zhuǎn)移酶（PMT）進(jìn)行甲基化，并由 N-甲基腐胺氧化酶（MPO）進(jìn)行氧化，從而生成 N-甲基吡咯林陽離子（MP）。從吡啶分支合成六元環(huán)的過程已研究至煙酸單核苷酸（NAMN）階段，這一過程依次由天冬氨酸氧化酶（AO）、喹啉酸合成酶（QS）和喹啉酸磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（QPT）催化完成。尚不清楚煙酸（尼古丁及其他相關(guān)生物堿的前體）是如何從 NAMN 形成的。盡管受到了大量關(guān)注，但闡明該途徑的進(jìn)展卻在縮合步驟處停滯不前，自 1990 年Friesen及Leete提出 MP 和尼古丁的縮合會形成尼古丁以來，幾乎沒有取得進(jìn)展。

文章模式圖（圖源自Cell）

對栽培煙草中 Nic1 和 Nic2 位點(diǎn)（以前分別稱為 A 和 B）的推斷揭示了尼古丁生物合成中所需的 A622 基因和一種類似小檗堿橋接酶（BBL）基因，以及一種多藥和有毒化合物外排（MATE）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，用于將尼古丁從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡中。A622 基因的敲低會降低尼古丁水平，并導(dǎo)致尼古丁酸-N-葡萄糖苷（NAG）的過度積累。然而，NAG 已被排除為 A622 的底物，并且更有可能是一種解毒產(chǎn)物，這一點(diǎn)可以從喂食 NAG 對煙草生長產(chǎn)生的嚴(yán)重抑制作用以及在尼古丁摻入研究中，當(dāng)同時給煙草根部施加放射性標(biāo)記的 NAG 和未標(biāo)記的 NAG 時，放射性標(biāo)記的 NAG 無法有效與未標(biāo)記的 NAG 競爭這一現(xiàn)象中得到證明。

因此，縮合反應(yīng)的確切底物身份和酶促步驟仍不清楚。有人提出，在Mannich類似反應(yīng)中，3，6-二羥基煙酸或其衍生中間體對 MP 的親核攻擊可能是自發(fā)發(fā)生的，也可能是通過酶促反應(yīng)發(fā)生的，以完成尼古丁的最終偶聯(lián)反應(yīng)。此外，當(dāng)吡咯啶環(huán)的生物合成被阻斷時，anatabine的大量積累表明，在該途徑的吡啶側(cè)存在未知的中間代謝產(chǎn)物。

尼古丁是植物中最具效力的固有及誘導(dǎo)性化學(xué)防御物質(zhì)之一。當(dāng)植物受到食草動物的攻擊時，這種神經(jīng)毒素會在根部的表皮層中高度激活，并轉(zhuǎn)移到莖部的液泡中，在那里它會作用于咀嚼葉片的攻擊者的神經(jīng)肌肉接頭的煙堿型乙酰膽堿受體。通過在植物內(nèi)部協(xié)調(diào)組織特異性的生成和運(yùn)輸，并針對植物所缺乏的消費(fèi)者的特定組織進(jìn)行攻擊，這種強(qiáng)大的防御機(jī)制解決了植物化學(xué)防御的自毒化難題。

然而，破壞尼古丁生物合成過程中的特定步驟常常會導(dǎo)致自毒化和生長抑制，這表明在亞細(xì)胞水平上存在一種嚴(yán)格控制的生物合成組織結(jié)構(gòu)。這種組織結(jié)構(gòu)可能需要多蛋白復(fù)合物或代謝單元（metabolons）的嚴(yán)格空間和時間協(xié)調(diào)，以促進(jìn)底物的通道傳遞，從而避免有毒中間體的積累或競爭途徑的出現(xiàn)。迄今為止，只有少數(shù)研究能夠確鑿地證明在植物特化代謝中存在能夠引導(dǎo)底物的代謝物單元結(jié)構(gòu)的形成。代謝物單元如何促進(jìn)通道式生物合成以及高遷移率代謝物的轉(zhuǎn)運(yùn)，目前仍不清楚。

參考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00335-1