6月16日，國際頂級化學期刊Angewandte Chemie International Edition (德國應用化學)在線發表了中國醫學科學院藥物研究所戴均貴團隊題為“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化機制”的研究論文。該研究首次明確了海南粗榧內酯等三尖杉烷型二萜前體為三尖杉烯(1，cephalotene)，并闡明了其環化機制。
圖. 三尖杉烯合酶CsCTS催化合成海南粗榧內酯前體Cephalotene
海南粗榧內酯具有一個剛性駢合的6/6/5/7四環二萜骨架、一個六元內酯橋環和一個四氫呋喃環，分子中共有7個手性中心，骨架新穎獨特。藥理學研究揭示其具有多種生物活性，尤其對人KB細胞的IC50值達43 nM，極具研發前景。但該化合物在植物中含量極低，且因其結構復雜導致化學合成困難，來源受限。生物合成可為解決這一難題提供新策略，然而，有關海南粗榧內酯生物合成研究未見報道，其二萜合酶、二萜烯骨架及其環化機制仍是謎團。
該研究從粗榧(C. sinensis)中發現了一個I型二萜合酶能夠產生一個主產物1和四個脫軌產物(M1?M4)，經NMR、化學衍生和X-射線單晶衍射分析確定了主產物1的結構為三尖杉烯，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催化機制，作者鑒定了脫軌產物M1?M4的結構，結合生物信息學分析及CsCTS催化特性，提出了三種可能的環化機制(pathways i?iii)。進一步經同位素標記實驗證明了所提出的環化機制中關鍵的氫遷移、甲基遷移和環化反應；結合密度泛函理論計算，闡明了CsCTS通過pathway i環化機制催化形成cephalotene。
進一步研究提示：同源性相近的CsCTS/TbTS可能起源于同一祖先，賦予其前期環化機制的相似性；同時，在演化過程中關鍵氨基酸殘基(F613/V610)的突變導致其環化機制出現分歧，進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物，顯示了自然界中植物-基因/酶-途徑-代謝產物之間的演化關聯性。該研究發現并鑒定了海南粗榧內酯等三尖杉烷型二萜生物合成第一步反應相關二萜合酶，闡明了其催化機制，為破譯和人工構建海南粗榧內酯等三尖杉烷型二萜完整生物合成途徑奠定了基礎。
中國醫學科學院藥物研究所天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室、衛健委天然產物生物合成重點實驗室、醫科院酶與天然藥物生物催化重點實驗室20級博士研究生李?？岛驮诼毑┦亢笸鯉洖檎撐牡谝蛔髡?，戴均貴、陳日道研究員及王帥博士為論文共同通訊作者。該項目得到了醫科院醫學與健康科技創新工程(CIFMS-2022-I2M-2-002)、國家重點研發計劃(2020YFA0908000)及山東省自然科學基金(ZR2019PC030)的支持。感謝愛荷華州立大學Reuben Peters教授惠贈pGG和pIRS質粒。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202306020
