6月16日，國(guó)際頂級(jí)化學(xué)期刊Angewandte Chemie International Edition (德國(guó)應(yīng)用化學(xué))在線發(fā)表了中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所戴均貴團(tuán)隊(duì)題為“Functional Characterization and Cyclization Mechanism of a Diterpene Synthase Catalyzing the Skeleton Formation of Cephalotane-type Diterpenoids”(三尖杉烷類二萜骨架形成二萜合酶的功能鑒定及其環(huán)化機(jī)制”的研究論文。該研究首次明確了海南粗榧內(nèi)酯等三尖杉烷型二萜前體為三尖杉烯(1，cephalotene)，并闡明了其環(huán)化機(jī)制。
圖. 三尖杉烯合酶CsCTS催化合成海南粗榧內(nèi)酯前體Cephalotene
海南粗榧內(nèi)酯具有一個(gè)剛性駢合的6/6/5/7四環(huán)二萜骨架、一個(gè)六元內(nèi)酯橋環(huán)和一個(gè)四氫呋喃環(huán)，分子中共有7個(gè)手性中心，骨架新穎獨(dú)特。藥理學(xué)研究揭示其具有多種生物活性，尤其對(duì)人KB細(xì)胞的IC50值達(dá)43 nM，極具研發(fā)前景。但該化合物在植物中含量極低，且因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致化學(xué)合成困難，來源受限。生物合成可為解決這一難題提供新策略，然而，有關(guān)海南粗榧內(nèi)酯生物合成研究未見報(bào)道，其二萜合酶、二萜烯骨架及其環(huán)化機(jī)制仍是謎團(tuán)。
該研究從粗榧(C. sinensis)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)I型二萜合酶能夠產(chǎn)生一個(gè)主產(chǎn)物1和四個(gè)脫軌產(chǎn)物(M1?M4)，經(jīng)NMR、化學(xué)衍生和X-射線單晶衍射分析確定了主產(chǎn)物1的結(jié)構(gòu)為三尖杉烯，從而鑒定了該酶的功能，命名為三尖杉烯合酶CsCTS (Cephalotaxus sinensis Cephalotene Synthase)。為闡明CsCTS催化機(jī)制，作者鑒定了脫軌產(chǎn)物M1?M4的結(jié)構(gòu)，結(jié)合生物信息學(xué)分析及CsCTS催化特性，提出了三種可能的環(huán)化機(jī)制(pathways i?iii)。進(jìn)一步經(jīng)同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)證明了所提出的環(huán)化機(jī)制中關(guān)鍵的氫遷移、甲基遷移和環(huán)化反應(yīng)；結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，闡明了CsCTS通過pathway i環(huán)化機(jī)制催化形成cephalotene。
進(jìn)一步研究提示：同源性相近的CsCTS/TbTS可能起源于同一祖先，賦予其前期環(huán)化機(jī)制的相似性；同時(shí)，在演化過程中關(guān)鍵氨基酸殘基(F613/V610)的突變導(dǎo)致其環(huán)化機(jī)制出現(xiàn)分歧，進(jìn)化出功能分支的二萜合酶，從而形成了種屬特異性的代謝產(chǎn)物，顯示了自然界中植物-基因/酶-途徑-代謝產(chǎn)物之間的演化關(guān)聯(lián)性。該研究發(fā)現(xiàn)并鑒定了海南粗榧內(nèi)酯等三尖杉烷型二萜生物合成第一步反應(yīng)相關(guān)二萜合酶，闡明了其催化機(jī)制，為破譯和人工構(gòu)建海南粗榧內(nèi)酯等三尖杉烷型二萜完整生物合成途徑奠定了基礎(chǔ)。
中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、衛(wèi)健委天然產(chǎn)物生物合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)科院酶與天然藥物生物催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室20級(jí)博士研究生李常康和在職博士后王帥為論文第一作者，戴均貴、陳日道研究員及王帥博士為論文共同通訊作者。該項(xiàng)目得到了醫(yī)科院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程(CIFMS-2022-I2M-2-002)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020YFA0908000)及山東省自然科學(xué)基金(ZR2019PC030)的支持。感謝愛荷華州立大學(xué)Reuben Peters教授惠贈(zèng)pGG和pIRS質(zhì)粒。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202306020
