2022年12月13日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇团队在Molecular Plant杂志在线发表了题为'A chromosome-level genome of Isodon rubescens reveals that tandem-duplicated CYP706V oxidase genes control oridonin biosynthesis in shoot apex'的研究论文。该研究首次报道了冬凌草的高质量基因组，揭示了冬凌草的药效成分冬凌草甲素的生物合成机制。
冬凌草是唇形科香茶菜属植物碎米桠Isodon rubescens (Hemsl.)Hara的干燥地上部分。1975年“冬凌草协作组”联系到中科院昆明植物研究所孙汉董院士最终从冬凌草中提取出冬凌草甲素（oridonin），揭开了冬凌草抗癌、消炎的秘密。
冬凌草甲素属于对映-贝壳杉烷型四环二萜，是冬凌草的主要活性成分之一，临床上多用于抗菌、抗炎、抗肿瘤。
近年来的研究表明，冬凌草甲素可以抑制NLRP3炎症小体，对2型糖尿病、痛风等疾病具备较好的预防或治疗效果；冬凌草甲素还能促进肿瘤细胞凋亡，对于染色体易位的急性髓系白血病、DNMT3A突变白血病具有显著疗效；冬凌草甲素对新冠病毒毒株也具有很强的抑制作用，可以与3CLpro的第145位半胱氨酸（Cys145）发生共价结合，阻断病毒的复制过程。
冬凌草甲素的生物合成涉及一系列贝壳杉烷骨架的氧化修饰，这一过程是自然界二萜化学多样性形成的重要基础，也赋予了该类化合物较强的药理活性。1970年代，日本科学家曾推测贝壳杉烷母核15位和7位氧化是冬凌草甲素氧化修饰的起点，但是数十年来，我们对于自然界贝壳杉烷骨架类化合物的氧化修饰过程知之甚少。本研究首先通过原位质谱成像技术结合冬凌草甲素的在不同组织中的浓度分布分析，发现冬凌草甲素的合成发生于茎顶端（顶芽和侧芽）中（图1A）。通过基因组测序，首次组装了碎米桠染色体级别的参考基因组（图1B），结合转录分析，发现碎米桠的2号染色体上存在一组串联重复的P450氧化酶基因，主要包括CYP706家族氧化酶（图2A），其中IrCYP706V2和IrCYP706V7在顶端分生组织和叶原基中高度表达。根据功能验证，IrCYP706V2和IrCYP706V7分别修饰对映-贝壳杉烯母核的7位和15位（图2B）。进一步通过比较基因组分析，发现CYP706的串联重复位于一个核心双子叶植物保守的基因组片段中，而CYP706V亚家族成员在碎米桠中发生了特异性扩张（图3A）。基于近缘植物基因组的微共线性分析，CYP706V不存在于其他唇形科物种中，该现象为香茶菜属植物特异性产生对映-贝壳杉烷型二萜提供了解释。系统进化分析表明（图3B），IrCYP706V进化为三个分支，β分支负责修饰贝壳杉烯的7位，γ分支氧化15位，而α分支的成员IrCYP706V6能够特异性羟基化贝壳杉烯的14位。另一方面本研究也从基因组信息中获得了多个之前未曾在香茶菜属发现的二萜环化酶，它们分别能够合成对映-海松烷型及松香烷型二萜骨架。
本研究是冬凌草甲素合成途经解析的一个重要突破，深化了我们对于对映-贝壳杉烷二萜氧化修饰的合成途径及其遗传基础的理解，为进一步利用合成生物学开发和创新对映-贝壳杉烷型四环二萜类化合物奠定了基础。
此前在2022年5月份月份中国科学院昆明植物研究所等提出了挖掘新颖天然骨架潜在应用价值的“Pharmacophore-Oriented Semisynthesis”策略。该策略的研究思路在于将天然骨架A的药效团与新颖骨架B相结合，进一步通过结构修饰与药理学研究得到系列活性衍生物。根据该研究思路，开展了针对冬凌草甲素（oridonin，发现自冬凌草）与新颖二萜maoelactone A（发现自毛萼香茶菜）的原理证明实验，即将oridonin的药效团与maoelactone A的新颖骨架相结合从而得到新颖抗新冠病毒活性分子家族。
本研究中首次发现了具新颖5/5/6/6/5环系的对映-贝壳杉烷型化合物maoelactone A，并完成了10步仿生半合成研究。在高含量天然产物oridonin中成功实现了目标药效团与5/5/6/6/5环系的组装，并通过结构修饰及抗新冠病毒活性筛选发现了系列新型活性分子。
该类化合物能够选择性地抑制SARS-CoV-2 3CLPro酶活，并可能通过共价结合Cys145发挥抑制活力。所发现的活性化合物中，化合物70（下图）在新冠病毒感染的Vero E6细胞上显示出极好的抑制活力与较高的选择性指数，其EC50值为19 nM，治疗指数值大于1000，均优于阳性对照药瑞德西韦（remdesivir），显示出了潜在的应用前景。
早在2022年3月14日，Small Science在线发表了中山大学公共卫生学院（深圳）孙力涛课题组，中山大学药学院周晖皓课题组与中国科学院高峰课题组等合作的题为Oridonin inhibits SARS-CoV-2 by targeting its 3C-like protease的研究论文。
本研究发现冬凌草甲素可以通过靶向抑制3CLpro而发挥抗SARS-CoV-2的作用。有趣的是，通过基因序列比对发现几种不同主要新冠病毒突变株（包括目前的流行株）的3CLpro序列十分保守，目前仅出现的两个突变位点也均不在冬凌草甲素的结合位点上，提示冬凌草甲素对目前流行的Omicron毒株也应该具有很强的抑制作用。
从目前的反馈来看，咽喉疼痛是新冠病毒感染患者的常见症状。富含冬凌草的主要药品有复方冬凌草含片、冬凌草胶囊、冬凌草糖浆等，均有清热、解毒、利咽的功效，故可以在新冠治疗过程中承担“守门员”角色，于咽喉第一道防线“建立屏障”，减少患者的咽喉疼痛感和不适感。
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