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烈致癮性的強效殺蟲堿性物質，它塑造了人類歷史、農業以及產生這種物質的植物。然而，尼古丁生物合成過程中的酶促步驟和反應機制仍不為人所知。

2026年4月1日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心李大鵬團隊在Cell在線發表題為“Complete biosynthesis of nicotine”的研究論文，該研究揭示了最終的偶聯反應是由尿苷二磷酸（UDP）-糖基轉移酶通過糖基化作用而穩定形成的，該酶受到 A622 的抑制并被激活，通過立體選擇性分子間Mannich類似反應進行縮合，隨后由一種類似小檗堿橋接酶（BBL）依次進行氧化，最后由β-葡萄糖苷酶進行去糖基化，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，以引導尼古丁的生物合成及其運輸。在體外和異源細胞內重組了這個代謝單元。任何一種成分的缺失都會導致尼古丁積累的減少。一種多藥和毒物轉運蛋白對于在異源植物物種中高效構建尼古丁的生產過程至關重要，這賦予了植物對害蟲的抵抗力。這項研究完成了尼古丁的生物合成途徑，并對分子間的Mannich類似反應提供了關鍵的見解。這種反應是許多植物生物堿形成骨架結構的基本機制。

尼古丁是一種主要存在于大多數煙草（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千年來的復雜角色。尼古丁于 1828 年首次被分離出來，其結構于 1893 年得到描述，并于 1904 年被合成。1950 年代，一項開創性的發現——即標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 基氮含雜環是由兩條獨立途徑產生的。

從吡咯烷分支中合成 5 基環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，從而產生腐胺，隨后由腐胺 N-甲基轉移酶（PMT）進行甲基化，并由 N-甲基腐胺氧化酶（MPO）進行氧化，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移酶（QPT）催化完成。尚不清楚煙酸（尼古丁及其他相關生物堿的前體）是如何從 NAMN 形成的。盡管受到了大量關注，但闡明該途徑的進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，幾乎沒有取得進展。

文章模式圖（圖源自Cell）

對栽培煙草中 Nic1 和 Nic2 位點（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）轉運蛋白，用于將尼古丁從細胞質轉運至液泡中。A622 基因的敲低會降低尼古丁水平，并導致尼古丁酸-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物，這一點可以從喂食 NAG 對煙草生長產生的嚴重抑制作用以及在尼古丁摻入研究中，當同時給煙草根部施加放射性標記的 NAG 和未標記的 NAG 時，放射性標記的 NAG 無法有效與未標記的 NAG 競爭這一現象中得到證明。

因此，縮合反應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發生的，也可能是通過酶促反應發生的，以完成尼古丁的最終偶聯反應。此外，當吡咯啶環的生物合成被阻斷時，anatabine的大量積累表明，在該途徑的吡啶側存在未知的中間代謝產物。

尼古丁是植物中最具效力的固有及誘導性化學防御物質之一。當植物受到食草動物的攻擊時，這種神經毒素會在根部的表皮層中高度激活，并轉移到莖部的液泡中，在那里它會作用于咀嚼葉片的攻擊者的神經肌肉接頭的煙堿型乙酰膽堿受體。通過在植物內部協調組織特異性的生成和運輸，并針對植物所缺乏的消費者的特定組織進行攻擊，這種強大的防御機制解決了植物化學防御的自毒化難題。

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

參考消息：

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