JACS | 卞光凯/徐娟/Dickschat合作实现细菌二萜合酶的系统挖掘与结构导向功能互换

萜类化合物是一类 兼具 重要经济 价值 和生物学 功能 的天然产物 ，其中二萜类化合物以其复杂的环化反应和显著的生物活性而闻名，植物激素赤霉素、抗癌药物紫杉醇均为其典型代表。 过去几十年， 研究人员 主要从植物和真菌中寻找 新颖萜类化合物 灵感，而近年来，细菌作为极具潜力却 尚 未被充分 挖掘 的萜类生物合成基因宝库，正逐渐进入科学家的视野。然而，如何从数以 万 计的候选基因中精准筛选出具有活性的 萜类合 酶，并理解其催化 机制 ，是制约该领域 核心瓶颈。

近日 ， 中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所 卞光凯 团队联合华中农业大学 徐娟 课题组和 波恩大学 Jeroen S. Dickschat 课题组，在国际期刊 Journal of the American Chemical Society 上发表了题为Systematic Discovery of Bacterial Diterpene Synthases and Structure-Guided Functional Interconversion of ShHS and CbCS的最新研究成果 。该研究通过系统挖掘细菌二萜合酶，显著拓展了细菌二萜天然产物的化学空间，并揭示了活性中心微环境对产物骨架分化的决定作用。

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原文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.6c02649

在本研究中， 研究团队 首先 构建了基于大规模基因组挖掘与工程酵母异源表达相结合的高通量筛选体系 ，对 313 个候选的细菌 I 型二萜合酶进行了高通量功能筛选。通过一系列筛选，团队 成功鉴定出 16 个具有 二萜 活性的 萜类 合酶 （系列单萜、倍半萜和二倍半萜合酶功能验证仍在进行中） ，并表征了 10 种 新 二萜化合物，其中包 含 5 种全新碳骨架 。这一发现大幅扩展了细菌二萜类化合物的结构多样性和化学空间。

在此基础上 ，研究人员进一步聚焦来源于 Streptomyces hundungensis 的二萜合酶 ShHS 。通过密度泛函理论计算与精确同位素标记实验相结合，系统解析了该酶催化 GGPP 环化生成 hundungol A 及 系列 副产物的 完整 反应机制。研究表明，该反应首先通过 GGPP 异构化生成 GLPP ，为 后续 关键的 1,11- 环化反应 奠定 构象基础 ； 随后经连续环化、氢迁移和甲基迁移过程，形成关键 碳 正离子中间体 H 。在后续反应 阶段 ，不同的环化路径和骨架重排决定了最终产物的结构分支，其中包括一次罕见的 1,5- 氢迁移步骤。此外，研究还发现 CbCS 的产物 2 虽 与上述机制具有相同的早期反应步骤，但在中间体 H 处直接被水分子淬灭。

一个关键问题随之出现：是什么决定了 CbCS 和 ShHS 两个酶在 分支点 H 之后的反应方向？为了回答这一问题，研究人员成功解析了 CbCS 的 晶体 结构 ，同时借助 AlphaFold3 完成了 ShHS 的 结构预测，并将关键中间体 H 分别 对接 至 两个酶的活性中心 开展比对分析 。结构分析 结果 显示，中间体 H 周围共有 17 个潜在参与催化的氨基酸残基，其中 8 个在两种酶之间存在差异。通过定点突变实验，研究人员成功实现了 二者 的功能互换： 在 ShHS 中 引入 E193T 和 L196Y 突变 ， 可使其生成 CbCS 的主要产物 ； 而在 CbCS 中引入相应的反向突变 T194E 和 Y197L ， 则能产生 ShHS 的特征 产物。此外，位于活性中心附近的关键位点 N76/N81 对反应路径同样具有重要调控作用。研究团队进一步利用这些突变体，分离鉴定出 hundungol C 、 hundungol D 、 chloroflexotol B 和 hundungene C 等 多种 新型 二萜化合物，并通过同位素标记实验 ， 验证了 这些化合物具有 共同的早期环化过程 ，以 及后期 的 1,5- 氢迁移机制。

在论文评审过程中，国际同行专家对该研究给予了高度评价。审稿人指出，在当前萜类合酶大规模挖掘研究不断涌现的背景下，该工作不仅 是对 新酶和 新 产物 的罗列 ，更 重要的是 揭示了决定萜类骨架形成的结构与机理 。 总体而言，该研究通过整合基因组挖掘、合成生物学、结构生物学与 计算化学 等多学科方法，不仅系统拓展了细菌二萜天然产物的化学空间，还揭示了萜类合酶如何通过活性中心精细调控碳正离子级联重排，并实现不同产物骨架之间的可设计转换 ， 为理解萜类天然产物多样性的分子基础提供了关 键线索，也为基于理性设计的天然产物生物合成、新型萜类分子定向创制提供了重要的理论与技术支撑。

中国科学院深圳先进院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所 卞光凯 研究 员、华中农业大学 徐娟 教授和 波恩大学 Jeroen S. Dickschat 教授为 本文 共同通讯作者 ； 中国科学院深圳先进技术研究院 / 华中农业大学联合培养 博士生 胡哲辉 和 波恩大学博士 后 Zhiyong Yin 为本文共同第一作者 。 中国科学院深圳先进技术研究院 为第一完成单位 。科隆大学 Bernd Goldfuss 教授、南方医科大学罗奇副教授为研究提供重要支持。 感谢深圳合成生物研究重大科技基础设施在自动化萜类合酶挖掘和功能表征方面提供的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c02649

制版人：十一

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