三萜類化合物是大量存在於動物、植物、微生物甚至我們體內的有機化合物。已經發現了大約20000種不同的三萜，由於它們具有抗炎、抗癌、抗糖尿病和其他有價值的特性，它們被廣泛用於化妝品、食品補充劑以及最重要的藥物中。大家熟知的海參，是南亞的一種食品佳肴，其養殖業是一個價值數百萬美元的產業。這些神奇的海洋動物產生一類被稱為三萜類皂苷的分子，在植物中廣泛存在，但在動物中很少見。具體而言，海參和海星等軟體緩慢移動的棘皮動物會產生專門的代謝物（糖基化類固醇和三萜，也稱為皂苷），作為先天免疫的一部分，為潛在的攻擊者提供化學防禦。相比之下，密切相關的海膽受到刺的保護，不會產生此類化合物。當受到壓力時，作為第一道防線，一些海參會排出稱為居維葉氏管的黏性腺，這些線會纏住敵人並使其無法動彈。由於這些小管的皂甙，被固定的受害者最終死亡。除了防禦之外，皂苷在海洋生物中還具有其他生物學功能，包括繁殖、產卵和與共生體的化學交流。然而直到現在，它們如何進化出產生這些分子的不尋常能力的問題仍未得到解釋。鑑於此，英國諾里奇研究院Ramesha Thimmappa與Anne Osbourn教授合作調查了海參的基因組，並將其與其他棘皮動物，如海星和海膽的基因組進行了比較。分析表明，海星皂甙是甾體，而海參皂甙是三萜。動物中的甾醇生物合成涉及通過氧化鯊烯環化酶(OSC)、羊毛甾醇合酶(LSS)將2,3-氧化鯊烯環化為羊毛甾醇。海參缺乏LSS，而是有兩個不同的OSC，它們產生三萜皂苷，並且很可能通過基因複製和新功能化從祖先LSS進化而來。實驗結果進一步表明，海參會產生替代甾醇，這些甾醇可以防止它們自己的皂苷引起自我中毒。總的來說，這些因素使海參能夠同時產生皂苷和抗皂苷的甾醇。相關研究成果以題為「Biosynthesis of saponin defensive compounds in sea cucumbers」發表在最新一期《Nature Chemical Biology》上。為了更廣泛地研究棘皮動物和全動物譜系中OSC的發生和類型，作者使用人類LSS作為模板，挖掘了海星、、海膽和海參的測序基因組，以預測OSC基因。從三種不同海參中的每一種中回收了兩個OSC基因。海參有兩個OSC基因是不尋常的。所有其他動物只有一個。OSC在半乳糖反應性GAL1啟動子的控制下表達，在葡萄糖存在的情況下該啟動子被抑制。在酵母中，羊毛甾醇是生物合成必需甾醇麥角甾醇的前體。在外源提供的麥角甾醇和葡萄糖存在下，所有含有不同OSC構建體的酵母菌株都生長（圖1c）。在存在半乳糖和不存在外源麥角甾醇的情況下，測試的兩種OSC（海星Patiria miniata LSS和海膽Strongylocentrotus purpuratus LSS）補充了Gil77的生長，表明它們是功能性LSS（圖1c）。GC-MS分析證實了在表達這兩種OSC的菌株的提取物中存在羊毛甾醇（圖1d）。其中OSC 被命名為羊毛二烯醇合酶 (LDS)。海參中特定PS 的鑑定表明該酶在帕克醇型三萜皂苷生物合成中的作用，如圖1b右圖所示。LDS在海參中的作用尚不清楚。為了研究PS和LDS OSCs的作用，作者分析了不同海參組織的抗真菌活性、皂苷和OSC基因表達，以確定LDS和PS基因的表達是否與生物活性和/或皂苷含量相關。研究表明PS和LDS在該組織中可能具有交替作用（例如，在類固醇激素生物合成或其他功能中）（圖2a）。PS和LDS分別在具有Δ9(11)功能的parkeol型皂苷和具有Δ7(8)功能的LDS型皂苷的生物合成中具有不同的作用（圖3），是海參化學防禦武器庫的一部分。皂苷與膽固醇形成複合物，從而導致膜完整性喪失和細胞死亡。然而，海參已經進化出產生高水平的 lathosterol 和11甾醇（不是膽固醇）的能力，這可能使它們能夠抵抗自身的皂苷。11衍生自三萜前體parkeol，通過（1）通過甾醇C24還原酶（DHCR24）對parkeol的側鏈雙鍵還原導致二氫parkeol和（2）最終的C4去甲基化由C4-去甲基化複合物（SC4MOL、Nsdh和HSD17B7）介導的二氫帕克醇，導致最終11甾醇的形成（圖3）。其次，在無膽固醇生物合成途徑的情況下，海參必須從飲食中攝取膽固醇，而海星合成膽固醇並將從頭合成或飲食衍生的Δ5甾醇轉化為Δ7甾醇（圖2b）。結果表明PS和LDS在體內具有不同且不重疊的作用。結果表明，PS負責Δ9(11)皂苷和Δ9(11)甾醇生物合成的第一步，LDS負責Δ7(8)皂苷生物合成（圖3）。揭示LDS和PS的進化起源可能有助於闡明海參中Δ9(11)和Δ7(8)三萜皂苷和Δ9(11)甾醇的起源。結果清楚地暗示了OSC產品特異性中的444殘基，並且與LDS和PS酶通過基因複製和新功能化從祖先海參LSS進化而來的情景一致。PS和LDS基因在P. parvimensis和A. japonicus海參基因組中串聯，表明它們可能是由基因複製和分歧產生的，這可能與海參中甾醇14α-去甲基化酶（CYP51）的丟失同時發生。酶在動物、植物和真菌界中高度保守，並控制着必需甾醇生物合成的關鍵步驟。然而，與海星和海膽不同，海參缺乏CYP51基因。圖4. 單個活性殘基是棘皮動物LDS和PS與LSS功能差異的基礎研究結果表明海參缺乏LSS，這是一種對動物正常甾醇生物合成至關重要的OSC，相反，它們有兩種不同的OSC（PS和LDS），海參產生高水平的不尋常甾醇lathosterol和11甾醇，而不是典型的動物甾醇膽固醇。這些甾醇對皂甙有抗性，因此很可能提供對自身中毒的保護。海參作為有益健康的食物來源和傳統藥物，在亞洲非常重要。所以，如果人們能了解它們的分子是如何形成的，人們可以使用植物或酵母製造這些高價值的化合物，而無需研磨海參。
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