8月7日，Nature communications（《自然-通訊》，IF=12.12）在線發(fā)表了武漢大學(xué)劉天罡課題組，日本東京大學(xué)Ikuro Abe課題組以及美國賓夕法尼亞大學(xué)David Christianson課題組有關(guān)萜類合酶新功能的重要發(fā)現(xiàn)。論文題目為“Discovery of the cryptic function of terpene cyclases as aromatic prenyltransferases”。東京大學(xué)博士生何海兵、武漢大學(xué)卞光凱博士，賓夕法尼亞大學(xué)博士生Corey Herbst-Gervasoni為本文共同第一作者；David Christianson教授，Ikuro Abe教授和劉天罡教授為該論文的共同通訊作者。該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃合成生物學(xué)專項、國家自然科學(xué)基金、湖北省杰出青年基金的大力支持。

萜類化合物是自然界中種類最為豐富且具有眾多顯著生物活性的一類天然產(chǎn)物，廣為人知的青蒿素、紫杉醇、人參皂苷等是這一類產(chǎn)物的杰出代表。作為萜類化合物通用底物，異戊烯基焦磷酸能夠被與之相匹配的萜類合酶催化，形成復(fù)雜萜類核心骨架。此外，異戊烯基焦磷酸還可以作為UbiA型以及ABBA型芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的底物，合成異戊烯化的芳香族產(chǎn)物。萜類合酶和芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶都被認(rèn)為是多功能酶，具有底物以及產(chǎn)物雜泛性，是產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和功能多樣性的基礎(chǔ)。然而，迄今為止，還沒有證據(jù)表明這兩類酶的生物學(xué)功能存在著交集。

在該研究工作中，劉天罡，Ikuro Abe以及David Christianson教授帶領(lǐng)團(tuán)隊分工合作，首次報道發(fā)現(xiàn)除了合成萜類化合物外，萜類合酶還扮演著不為人知的芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的角色。在前期研究工作中，劉天罡教授課題組成功地在大腸桿菌、釀酒酵母等微生物體內(nèi)搭建了萜類前體高效供給底盤（Biotechnology & Bioengineering，2014，通訊作者），并開發(fā)了基于該底盤的萜類產(chǎn)物高效挖掘策略，顛覆傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物挖掘方式，實(shí)現(xiàn)了一系列萜類新骨架的高效挖掘和機(jī)理解析（Metabolic Engineering，2017，通訊作者；Current Opinion in Biotechnology，2017，通訊作者；Organic Letters，2018，通訊作者；Angewandte Chemie，2018，共同通訊作者；JACS，2020，共同通訊作者）。借助前期搭建的大腸桿菌萜類前體高效供給底盤，快速鑒定了AaTPS生物學(xué)功能以及與之對應(yīng)的倍半萜骨架。此外，由于強(qiáng)大的底物供給能力充分釋放該酶的產(chǎn)物合成潛力，劉天罡課題組在含有AaTPS菌株的發(fā)酵產(chǎn)物中意外地發(fā)現(xiàn)并鑒定了一系列含量較低的異戊烯基吲哚（prenylindole）類產(chǎn)物。隨后通過體外反應(yīng)和酶促動力學(xué)實(shí)驗證實(shí)了萜類合酶AaTPS具有芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的功能。而且發(fā)現(xiàn)其活性偏好受pH值影響，在中性pH值條件下主要發(fā)揮萜類合酶功能，而在堿性環(huán)境下能夠以多種芳香族化合物和DMAPP為底物合成異戊烯基芳香族產(chǎn)物。受此啟發(fā)，劉天罡課題組進(jìn)一步通過體外反應(yīng)驗證了這種芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶功能廣泛存在于真菌來源（FgGS，F(xiàn)gFS，CgDS等）和植物來源（TXS，紫杉二烯合酶）的I型萜類合酶中，證明了該功能的普遍性。

為了深度解析這些雙功能酶的催化機(jī)理，Ikuro Abe教授和David Christianson教授課題組分別對倍半萜合酶AaTPS和二萜合酶FgGS進(jìn)行酶動力學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。證實(shí)了I型萜類合酶是雙功能酶，它們能夠在同一活性位點(diǎn)催化合成萜類和異戊烯基芳香族產(chǎn)物。并且基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究結(jié)果，解析了萜類合酶催化芳香族底物烯丙基化的機(jī)理：首先，芳香族底物進(jìn)入活性腔導(dǎo)致活性位點(diǎn)封閉，以保護(hù)碳正離子中間體免于被大量溶劑過早淬滅。隨后，金屬離子與DMAPP之間形成配位鍵從而引發(fā)DMAPP離子化，產(chǎn)生烯丙基碳正離子和Mg2+3-PPi復(fù)合體。緊接著，烯丙基碳正離子烷基化相鄰的雜環(huán)芳香族底物的吲哚環(huán)，形成C-C或C-N鍵。最終，PPi獲取吲哚碳正離子中間體的酸性質(zhì)子，生異戊烯基吲哚終產(chǎn)物（圖1）。

圖1. I型萜類合酶的芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶功能

植物萜類天然產(chǎn)物在微生物中的高效合成一直是代謝工程和合成生物學(xué)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，萜類產(chǎn)物的產(chǎn)量（如紫杉醇核心骨架紫杉二烯）與吲哚的含量呈負(fù)相關(guān)性，然而其深層次的機(jī)理一直不為人知（Science, 2010）。為了揭示這一懸而未決的問題，作者系統(tǒng)地研究了大腸桿菌工程菌中吲哚，異戊二烯前體以及產(chǎn)物三者之間的濃度關(guān)系。證實(shí)了吲哚濃度與類異戊二烯前體濃度呈正相關(guān)，而與萜類產(chǎn)物濃度呈負(fù)相關(guān)。為此，作者提出本研究新發(fā)新的芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶活性可作為細(xì)胞的一種內(nèi)源性調(diào)節(jié)機(jī)制，在特定情況下減輕因異戊二烯底物過量積累而對細(xì)胞產(chǎn)生的毒性。

在本研究中，基于劉天罡課題組開發(fā)的萜類前體高效供給底盤，聯(lián)合團(tuán)隊充分地展示了萜類合酶的生物合成潛力，挖掘并證實(shí)了隱藏已久的萜類合酶的芳香族異戊烯基轉(zhuǎn)移酶功能。隨后通過一系列實(shí)驗證明了其普遍性、深層次的酶催化機(jī)理以及潛在的生物學(xué)意義，進(jìn)一步加深我們對萜類合酶的認(rèn)知。該研究向我們進(jìn)一步展示了微生物高產(chǎn)底盤在天然產(chǎn)物挖掘領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢與強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。此外，值得我們思考的是，自然界中其它種類的酶是否也蘊(yùn)藏著一系列不為我們所知的新的生物學(xué)功能呢？

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17642-2.

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