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上海交大唐克轩团队在青蒿基础研究及产品开发领域取得重大突破

近日,上海交通大学长江学者特聘教授唐克轩博士领衔的研究团队在青蒿的基础研究和产品开发方面取得一系列重大进展。唐教授团队历时5年多完成了青蒿复杂基因组的测序,并完成了多个组织部位的转录组遗传信息发掘,为青蒿乃至菊科植物的基础研究、品种选育打下了基础。目前,该研究成果在线发表在Cell出版社旗下植物科学领域权威期刊《Molecular Plant》,并作为亮点成果,由Cell出版社于北京时间2018年4月24日,在全球媒体平台进行宣传报道。

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据了解,基于基因组等基础研究的成果,团队成功培育了高产青蒿素的代谢工程青蒿品种,除计划在国内开展种植外,还走进疟疾爆发地——非洲,就近解决青蒿原料的供应问题;研发疟疾预防产品,日常预防疟疾的发生;开拓青蒿素类药物降血脂的新用途,通过拓宽青蒿素市场的需求,进一步带动青蒿的种植和生产,塑造中国企业在青蒿素产业链的龙头形象和地位。在国家“一带一路”倡议的指导下,依托青蒿这张“中国名片”,从基础研究和产品开发多方面助力人类抗疟事业的成功。

破译青蒿 “基因密码” 建立青蒿乃至菊科植物研究新平台

青蒿是属于菊科蒿属的一年生草本植物,菊科包括超过23000个物种,广布全世界,是植物界种类数一数二的大科。随着测序技术的不断发展,到目前有超过110种植物完成了全基因组测序,然而其中完成测序的菊科植物仅仅只有向日葵(2017年6月)、菊花(2017年12月)、青蒿(2018年4月)三种,且都是在近一年内才完成相关测序工作。其原因在于,大部分菊科植物有两个明显的特点妨碍了测序的进行,第一,菊科植物普遍基因组比较大,向日葵(3.6 Gb)、菊花(3 Gb)、青蒿(1.74 Gb),有些还是多倍体。第二,大部分菊科植物还存在自交不亲和的现象,使得其杂合度高且较难获得纯系植株,导致有关菊科植物的研究常常受限于无参考基因组信息。因此,进行青蒿基因组测序对于揭示菊科物种的起源和进化、物种多样性、以及菊科植物药用价值的进一步挖掘开发具有重要意义。

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通过漫长的物种形成和进化,不同的物种基因组的杂合度和基因组上的重复区域不尽相同。一般杂合度不超过0.5%、重复序列含量不超过50%、GC 含量为35% 到65% 之间的单倍体或二倍体基因组可定义为简单基因组。青蒿虽然是二倍体,但它是典型的大基因组(1.74 Gb),高杂合度(1.0 -1.5% ),高重复序列( >60%),低GC含量(仅31.5%)。一般而言,仅其中一项指标超出简单基因组的定义即可认为是复杂基因组,但是青蒿基因组恰恰所有指标均不符合简单基因组的要求,可以说是各种劣势指标占全了的高度复杂的基因组,这对整个测序、组装、分析等一系列工作带来了极大挑战。

上海交通大学联合西南大学、国家人类基因组南方研究中心等单位发起了青蒿基因组测序研究攻关,历时5年多,对经该研究团队多年选育的高产青蒿素青蒿品种——沪蒿1号进行了全基因组测序、组装、注释及相关分析,测序共产生450 Gb的庞大数据,测序深度达到260倍左右,共组装出了约1.74 Gb基因组总长,预测鉴定出了63,226个编码蛋白基因,属于基因数量较多的物种之一。从目前已完成测序的植物基因组基因数统计结果看,绝大多数植物基因组的基因数在2.5万-5万左右,只有少数植物基因组报道其基因数目超过6万。

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通过比较研究发现,整个基因组中存在大量的重复序列(高达61.57%),这可能是整个菊科植物基因组普遍较大且较为复杂的原因。同时研究团队还发现,与其他测序的植物相比,青蒿中存在许多菊科特有的基因家族及基因,发现有大量基因家族在进化中发生了扩张,可能是菊科植物基因数普遍较多的原因。例如,青蒿中萜类合酶基因家族显著的扩张,是目前已测序植物物种中萜类合酶基因最多的物种之一。GO分析发现,青蒿中与氮代谢相关的基因数竟高达11,000之多,相应地,青蒿中与氮代谢调控有关的的Nin-like转录因子家族成员是其他植物数倍之多,推测可能是青蒿能在贫瘠土壤生长及全球分布广泛的原因。同时该研究团队对青蒿多个组织部位包括腺毛进行了转录组测序分析,对相关测序结果开展了进一步的深入研究分析。

青蒿基因组测序的完成,极大地丰富和填补了相对匮乏的菊科类植物的基因组信息,不仅对菊科的物种多样性研究、菊科的遗传进化机制研究和青蒿及蒿属的代谢工程育种等研究工作具有重要意义,而且必将极大推动植物基因组、尤其是药用植物基因组研究的发展,是本草基因组学研究的一项重要突破。

高产青蒿新品种在非洲“落地生根” 实现“近水”可解近渴

自2015年屠呦呦先生因发现青蒿素而成为中国大陆第一个自然科学领域的诺贝尔奖获得者以来,青蒿素类药物在世界抗疟运动中的作用便受到世人瞩目,但每年如何稳定地获取足够的青蒿素原料,仍是摆在人类抗击疟疾面前的世界难题。

我国为全球青蒿原料的主要来源地,但随着国内人力及其他生产成本的日益升高,而青蒿素价格又长期低迷,蒿农和青蒿素生产企业长期亏损,种植和生产热情消退,青蒿素原料供应面临困境。虽然酵母合成青蒿素取得了革命性的突破,但受限于成本问题,当前青蒿素的主要来源依然是从植物提取,高含量青蒿素品种的研发仍是解决当前困境的关键科学问题。

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基于青蒿全基因组及转录组数据的挖掘,唐克轩教授领衔的科研团队在青蒿素生物合成转录调控、青蒿腺毛发育、青蒿素合成途径代谢产物转运等研究领域开展了多方位多角度的基础研究,有望通过多层次多策略组合方式获得更高含量青蒿品种。该研究团队建立了能够高效促进青蒿素合成途径整个代谢流的上、中、下游多基因转化策略,成功培育出了高产青蒿素的代谢工程改良青蒿品种,其青蒿素的含量达到了叶片干重的3.2%左右。

而非洲大陆作为疟疾“重灾区”,对青蒿素的需求量极大,但当地本土种植的青蒿产量不高且青蒿素含量较低,原料与制剂主要依赖进口。俗话常说,远水不解近渴。而唐克轩团队偏要打破这一怪象,让“远水”—— 高产青蒿新品种在非洲大陆上顺利“落地生根”,成功实现“近水”解近渴。

该品种计划在国内和非洲同步推广,疟疾的主要爆发地为非洲热带地区,为更有效的改善非洲疟疾高发区青蒿素供应不足的情况,该研究团队已经和马达加斯加青蒿素生产公司BIONEXX(非洲范围内最大的、且唯一一家获WHO认证的青蒿素生产公司)达成科研合作协议,已将部分高产青蒿素的代谢工程品种在马达加斯加进行科研试种。马达加斯加是“一带一路”倡议非洲区域的桥头堡国家,希望未来几年该高产青蒿素品种能在非洲大规模种植,大幅提高青蒿素产量及有效降低青蒿种植成本,期望能将目前青蒿素的市场价格降至1000元以下,保障青蒿素的全球供应,积极响应国家“一带一路”倡议。

小小“软糖”显身手 为疟疾爆发地开出“中国良方”

疟疾是人经过蚊子叮咬之后感染疟原虫引发的一种虫媒传染病,作为一种高发的传染性疾病,其传染性极强,并且人类感染疟疾后不能产生抗体获得免疫,治愈后依旧时刻受到再次感染的风险。根据世界卫生组织发布的《2017世界疟疾报告》显示,目前全世界约一半人口面临疟疾风险。2016年全世界约有2.16亿疟疾病例,遍布91个国家,死亡人数达到44.5万例。英国权威医学刊物《柳叶刀》的统计显示,青蒿素复方药物(ACT)对恶性疟疾的治愈率达到97%,为了防范疟原虫对青蒿素产生耐药性,2004年5月,世卫组织规定青蒿素药物必须以复方形式使用。

然而,令人担忧的是,在亚洲和非洲部分地区均已发现对青蒿素复方产生抗药性的案例报道。

当前世卫组织预防疟疾的主要措施是推广药浸蚊帐和室内杀虫剂的使用,但这只是被动防御,可主动服用的预防药物为阿莫地喹和磺胺多辛-乙胺嘧啶这类传统抗疟药,因严重的副作用无法长期服用,青蒿素类药物则因为半衰期短也无法直接作为预防药物。

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近来有研究发现,青蒿干叶整株用药在治疗对青蒿素及其复方产生耐药性的小鼠模型和病人中有显著的疗效,推测青蒿干叶中还存在其他类型的成分能够协同青蒿素发挥抗疟作用。借助于青蒿基因组及转录组数据平台,该团队进一步分析挖掘参与协同青蒿素发挥抗疟作用的有效成分,并参考中国古代截疟配方,联合国内多家机构率先开发了以青蒿提取物为基础成分的具有预防疟疾功效的膳食补充剂产品,动物模型试验结果显示,在预防疟疾感染和减少疟疾死亡率方面有显著的功效。

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同时唐克轩团队以大量在华非洲留学生为调研对象,将防疟膳食补充剂设计为非洲人民喜爱的薄荷等口味,确保该产品能被更广泛的非洲人民所接受。该产品每天服用成本仅不足1元人民币,贴近广大疟疾爆发区民众的经济消费水平。该产品的成功开发将颠覆性的改变全球疟疾预防与治疗工作,为疟疾高发区人民和数亿饱受疟疾痛苦的患者带来福音,进一步降低因疟疾而死亡的人数。

青蒿素神奇新妙用 有望开发降脂新药

作为诺奖获得者的明星化合物,青蒿素的相关研究获得世界科研工作者的青睐,在抗寄生虫、抗癌、抗炎、免疫调节等领域开展了大量的研究。2016年奥地利科学家发现青蒿素治疗糖尿病的研究发表在顶级期刊Cell,几天后美国科学家在Nature Chemical Biology上又发表了青蒿素治疗肺结核、改善耐药性的研究。屠呦呦先生主导的二氢青蒿素治疗红斑狼疮的研究已经进入临床二期,可能成为最接近实际应用的新用途。

为保持我国在青蒿素类药物研发的全球领先地位,唐克轩团队率先开展了青蒿素降血脂的新用途研究。他汀类药物是调节血脂预防心血管病的重要药物,但他汀不耐受的人群可能高达20%-30%,包括给予初始剂量或高剂量他汀时会产生严重的不良反应的人群,以及给予最大可耐受剂量他汀仍然无法达到治疗目的人群。

唐克轩团队构建了他汀不耐受的动物模型,经过大量的实验研究发现,青蒿素类化合物与他汀类药物联用,通过不同的作用机制,产生了显著的增效减毒效果。两药联用,可使他汀类药物的使用剂量降低一半,但获得了更大幅度的降脂效果,同时显著降低了他汀类药物的肝毒性,该研究成果有望在近期开发成为针对他汀不耐受人群的降脂新药,解决该部分人群的用药难题。

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唐克轩科研团队专利技术涵盖青蒿研究和产业化涉及到的主要核心技术(包括重要基因及酶、过量表达技术、RNA 干扰抑制技术、特异表达启动子、载体、喷洒技术、种植、产品研制技术、新产品开发和应用等),仅在青蒿代谢工程育种与青蒿素新药效开发领域就拥有63项专利技术(其中授权发明专利32项,申请国际PCT专利1项),在包括植物科学权威期刊Molecular Plant、New Phytologist等在内的国际学术期刊上发表了数十篇论文,使本研究具有完全的自主知识产权。此外,该研究团队在青蒿素治疗高血脂及动脉粥样硬化等方面的专利技术为拓宽青蒿素的应用范围打下了基础。

论文链接https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(18)30123-0

唐克轩团队
农业与生物学院