萜類合成基因與其形成的確切酶學機制獲揭示

近日，中國科學院南海海洋研究所研究員閆巖團隊聯合濟南大學博士王文貴、美國加州大學洛杉磯分校教授唐奕團隊，完成了對真菌來源的quadrane新骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成研究。相關成果發表于《化學科學》（Chemical Science），并被評為每周亮點論文和2024熱點論文。

倍半萜是萜類化合物中占比最多的一種，分子中含15個碳原子，由三個異戊二烯單元組成鏈狀、環狀等多種骨架結構，分布于植物、昆蟲、微生物等生物中，具有廣泛的生物活性，是醫藥、食品和化妝品研發的重要源泉。Terrecyclic acid是一類由環戊烷駢雙環辛烷組合而成的quadrane倍半萜骨架，經過氧化后修飾而成的一類具有抗菌、抗腫瘤活性天然產物。

由于quadrane骨架的特殊結構與良好的生物學活性，其制備方法的研究受到廣泛關注。然而，由于該類化合物特殊的結構和成環方式，使得其化學合成步驟多，產率較低，在一定程度阻礙了先導藥物的開發。通過合成生物學方法大量制備quadrane類天然產物，是解決這一問題的有效策略。同位素示蹤實驗表明，quadrane骨架的生物合成可能經歷了兩種完全不同的途徑，即Hirota途徑和Coates途徑。盡管計算化學研究表明后者的可能性更高，但quadrane骨架的生物合成基因與其形成的確切酶學機制仍有待證實。

研究團隊通過對真菌基因組的挖掘，發現了該類化合物的生物合成基因簇ter，包括一個TC即倍半萜環化酶（β-terrecyclene合酶，TerA）、一個P450氧化基因、一個短鏈脫氫基因（terC）和一個主要協同轉運因子超家族基因。通過異源表達、體內喂養、體外酶反應等研究，驗證了基因簇中各基因的功能，證實了其生物合成途徑：即在環化酶TerA的作用下催化法尼基焦磷酸產生化合物25，進而產物25被P450酶TerB氧化和羧基化產生化合物32，最后32被脫氫酶TerC催化形成終產物2。

在發現新型TerA可以催化法尼基焦磷酸轉化為β-terrecyclene（25）的基礎上，通過對TerA的系列定點突變研究，結合動力學同位素效應分析，確證了環化過程為Coates途徑，而非最早提出的Hirota途徑。該研究發現了抗菌、抗腫瘤quadrane骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成基因簇，以此為基礎，解析了其通過β-terrecyclene環化酶TerA形成quadrane骨架，繼而氧化、脫氫的后修飾的生物合成過程。

“Quadrane骨架的形成機制也通過對蛋白TerA的點突變和動力學同位素效應得以證實，從而解決了幾十年來關于該類天然產物生物合成研究的謎團。”論文通訊作者閆巖表示，該研究為進一步以萜類環化酶TerA為探針，從真菌數據庫中對quadrane類天然產物的發掘奠定了基礎。