DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-025-01970-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40670688
تاريخ النشر: 2025-07-16
المؤلف: Allwin D. McDonald وآخرون
الموضوع الرئيسي: القلويدات: التركيب وعلم الأدوية
نظرة عامة
تمثل القلويات الإندول أحادية التيربين (MIAs) مجموعة متنوعة من المنتجات الطبيعية النشطة بيولوجيًا، والتي يتم تصنيعها بشكل أساسي من خلال تكثيف بيكت-سبنجلر الانتقائي للستيريو، والذي ينتج عادةً هيكل تيتراهيدرو-β-كاربولين مع مركز ستيريو 3S. ومع ذلك، فإن بعض MIAs، وخاصة تلك المستخرجة من *Mitragyna speciosa* (كراتوم)، تظهر مركز ستيريو غير قياسي 3R. توضح هذه الدراسة المسار الحيوي لتصنيع 3R-MIAs، كاشفةً عن دور الأنواع الإيمينية (20S)-3-ديهدروكوريانثيدين في تسهيل التحول من 3S إلى 3R من خلال عمليات الأكسدة والاختزال الانتقائي للستيريو.
لقد حددت تجارب تغذية النظائر مواقع محددة تشارك في التصنيع الحيوي اللاحق لـ MIAs ووصفت زوجًا من الأكسيداز/الاختزال المسؤول عن هذا التحويل. ومن الجدير بالذكر أن هذا الزوج الإنزيمي يظهر خصوصية واسعة للركيزة، مما يشير إلى مشاركته المحتملة في تصنيع مجموعة متنوعة من 3R-MIAs والقلويات ذات السبيروكسيندول المرتبطة في الكراتوم. لا توضح النتائج فقط الآلية وراء تشكيل مراكز 3R الستيريو في MIAs ولكنها توفر أيضًا مسارًا للإنتاج البيوكاتاليتيكي للقلويات ذات السبيروكسيندول ذات الأهمية الصيدلانية، والتي تشمل مركبات لها تطبيقات علاجية مثل تخفيف الألم وعلاج انسحاب الأفيون.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون نوعين من *Mitragyna speciosa*، وهما ‘التايلاندي الأخضر’ و’ريفات’، إلى جانب نباتات *Nicotiana benthamiana*، جميعها مزروعة تحت ظروف دفيئة محكومة. تم الحصول على نباتات ‘التايلاندي الأخضر’ من مورد في تايلاند وتم الحفاظ عليها في درجات حرارة تتراوح بين 24-32 درجة مئوية خلال النهار و22-24 درجة مئوية في الليل خلال الصيف، بينما كانت ظروف الشتاء محددة بين 18-23 درجة مئوية خلال النهار و18-20 درجة مئوية في الليل، مع الحفاظ على الرطوبة النسبية عند 60-80%. تم تحقيق تكاثر هذه النباتات من خلال العقل.
تم زراعة نوع ‘ريفات’ تحت ظروف مختلفة قليلاً في أثينا، جورجيا، مع درجات حرارة نهارية تبلغ 28 درجة مئوية ودرجات حرارة ليلية تبلغ 19 درجة مئوية، متبعةً فترة ضوئية تبلغ 15 ساعة من الضوء و9 ساعات من الظلام. بالمثل، تم زراعة نباتات *N. benthamiana* عند 22 درجة مئوية مع رطوبة نسبية تبلغ 60% وفترة ضوئية 16 ساعة ضوء/8 ساعات ظلام. تم زراعة جميع نباتات التبغ لمدة 3 إلى 4 أسابيع قبل التسلل مع سلالة *Agrobacterium tumefaciens* GV3101، مع سقيها حسب الحاجة للحفاظ على ظروف نمو مثالية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يؤكد الفرضيات المطروحة في البداية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، تم قياسه من خلال مقاييس مثل حجم التأثير وفترات الثقة. لا تدعم هذه النتائج الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة فحسب، بل تشير أيضًا إلى تداعيات عملية للبحوث والتطبيقات المستقبلية في المجال المعني.
مناقشة
في هذه الدراسة، نوضح الآليات الحيوية الأساسية وراء تشكيل مراكز 3R الستيريو في القلويات الميتراجينين (MIAs) من الكراتوم (عائلة روبياسي، قبيلة ناوكلي). من خلال تحليل الأيض، حددنا مجموعة من القلويات، بما في ذلك كل من 3S-MIAs و3R-MIAs، حيث تحتوي الأوراق الصغيرة بشكل أساسي على 3S-MIAs والجذور/السوق غنية بـ 3R-MIAs. ومن الجدير بالذكر أننا اكتشفنا نوعين جديدين من الإيمينيوم، (20S)-3-ديهدروكوريانثيدين (DHC) و3-ديهدرو-ميتراجينين (DHM)، اللذان يعملان كوسيطين في المسار الحيوي. تم تسهيل الاختزال الانتقائي للستيريو لهذه الأنواع الإيمينية بواسطة إنزيمات جديدة تم تحديدها، أكسيداز كوريانثيدين (MsCO1 وMsCO2) واختزالات DHC (MsDCR1 وMsDCR2)، والتي تظهر خصوصيات ركيزة ونتائج ستيريوكيميائية مميزة.
تشير نتائجنا إلى أن الوسيط الإيميني DHC يلعب دورًا مركزيًا في تصنيع MIAs من الكراتوم، حيث يعمل كركيزة لتحولات إضافية، بما في ذلك 10-هيدروكسيل بواسطة الإنزيم Ms10H. كما أظهرنا إعادة تكوين ناجحة للمسار الحيوي بالكامل في *Nicotiana benthamiana*، مما أدى إلى إنتاج القلويات ذات السبيروكسيندول من التريبتامين. لا تعزز هذه الأبحاث فهمنا لتصنيع MIAs فحسب، بل تبرز أيضًا الإمكانيات للتطبيقات البيوكاتاليتيكية في إنتاج 3R-MIAs ذات الأهمية الصيدلانية ومشتقات السبيروكسيندول. يفتح اكتشاف زوج الأكسيداز/الاختزال للتحويل آفاقًا لمزيد من الاستكشاف لآليات مماثلة في مسارات تصنيع القلويات الأخرى.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-025-01970-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40670688
Publication Date: 2025-07-16
Author(s): Allwin D. McDonald et al.
Primary Topic: Alkaloids: synthesis and pharmacology
Overview
Monoterpene indole alkaloids (MIAs) represent a diverse group of bioactive natural products, primarily synthesized through a stereoselective Pictet-Spengler condensation that typically yields a tetrahydro-β-carboline scaffold with a 3S stereocenter. However, certain MIAs, particularly those from Mitragyna speciosa (kratom), exhibit a noncanonical 3R stereocenter. This study elucidates the biosynthetic pathway for 3R-MIAs, revealing the role of the iminium species (20S)-3-dehydrocorynantheidine in facilitating the isomerization from 3S to 3R through oxidation and stereoselective reduction processes.
Isotopologue feeding experiments have identified specific sites involved in the downstream biosynthesis of MIAs and characterized an oxidase/reductase pair responsible for this epimerization. Notably, this enzymatic pair demonstrates broad substrate specificity, indicating its potential involvement in the synthesis of various 3R-MIAs and related spirooxindole alkaloids in kratom. The findings not only clarify the mechanism behind the formation of 3R stereocenters in MIAs but also provide a pathway for biocatalytic production of pharmacologically significant spirooxindole alkaloids, which include compounds with therapeutic applications such as pain relief and treatment for opioid withdrawal.
Methods
In this study, the authors utilized two varieties of *Mitragyna speciosa*, specifically ‘Green Thai’ and ‘Rifat’, alongside *Nicotiana benthamiana* plants, all cultivated under controlled greenhouse conditions. The ‘Green Thai’ plants were sourced from a supplier in Thailand and maintained at temperatures ranging from 24-32 °C during the day and 22-24 °C at night in summer, while winter conditions were set between 18-23 °C during the day and 18-20 °C at night, with relative humidity maintained at 60-80%. Propagation for these plants was achieved through cuttings.
The ‘Rifat’ variety was grown under slightly different conditions in Athens, GA, with daytime temperatures of 28 °C and nighttime temperatures of 19 °C, following a photoperiod of 15 hours of light and 9 hours of darkness. Similarly, *N. benthamiana* plants were cultivated at 22 °C with 60% relative humidity and a 16-hour light/8-hour dark photoperiod. All tobacco plants were grown for a period of 3 to 4 weeks prior to infiltration with *Agrobacterium tumefaciens* strain GV3101, with watering conducted as necessary to maintain optimal growth conditions.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, thereby affirming the hypotheses posited at the outset.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied yielded a measurable improvement in the target outcomes, quantified through metrics such as effect size and confidence intervals. These findings not only support the theoretical framework established in the introduction but also suggest practical implications for future research and applications in the relevant field.
Discussion
In this study, we elucidate the biosynthetic mechanisms underlying the formation of 3R stereocenters in mitragynine alkaloids (MIAs) from kratom (Rubiaceae family, Naucleeae tribe). Through metabolic profiling, we identified a range of alkaloids, including both 3S-MIAs and 3R-MIAs, with young leaves predominantly containing 3S-MIAs and roots/stems enriched in 3R-MIAs. Notably, we discovered two novel iminium species, (20S)-3-dehydrocorynantheidine (DHC) and 3-dehydromitragynine (DHM), which serve as intermediates in the biosynthetic pathway. The stereoselective reduction of these iminium species was facilitated by newly identified enzymes, corynantheidine oxidases (MsCO1 and MsCO2) and DHC reductases (MsDCR1 and MsDCR2), which exhibit distinct substrate specificities and stereochemical outcomes.
Our findings suggest that the iminium intermediate DHC plays a central role in kratom MIA biosynthesis, acting as a substrate for further transformations, including 10-hydroxylation by the enzyme Ms10H. We also demonstrated the successful reconstitution of the entire biosynthetic pathway in Nicotiana benthamiana, leading to the production of spirooxindole alkaloids from tryptamine. This research not only advances our understanding of MIA biosynthesis but also highlights the potential for biocatalytic applications in producing pharmacologically relevant 3R-MIAs and spirooxindole derivatives. The discovery of the oxidase/reductase pair for epimerization opens avenues for further exploration of similar mechanisms in other alkaloid biosynthetic pathways.