广东
近日，西北农林科技大学张延龙教授团队在国际权威期刊《Nature Communications》上发表题为“Structural insights into a dual-substrate O-methyltransferase reveal the enzymatic mechanism of parallel paeonol biosynthesis”的研究论文。该研究鉴定了参与丹皮酚生物合成的双底物O-甲基转移酶PoOMT1，揭示了其双底物识别与专一区域选择性的结构基础，为丹皮酚的平行生物合成提供了关键酶学证据。 园林学院张晓骁副教授、湖北中医药大学宋军博士后和园林学院硕士毕业生王昳婷为论文共同第一作者，中国中医科学院中药资源中心郭娟研究员、园林学院张延龙教授和湖北中医药大学黄伟副教授为共同通讯作者。
牡丹是集观赏、药用和油用价值于一体的中国特色资源植物，其根韧皮部可制成传统中药‘牡丹皮’，在中国已有近2000年的入药历史。丹皮酚作为‘牡丹皮’的药用指标成分，是评价牡丹药用品质的重要指标之一，具有抗肿瘤、降血糖以及神经保护等多种功效。阐明丹皮酚的生物合成途径，是开展其合成生物学生产、解析牡丹药用品质形成机制的重要基础。然而，该途径尚未得到完整解析，尤其是后修饰步骤中4′-O-甲基化和2′-羟基化的先后顺序，以及二者能否以平行途径进行，仍有待阐明。
图1 丹皮酚的生物合成途径预测
研究人员以凤丹（Paeonia ostii）为材料，通过根韧皮部代谢物分析鉴定出多个含有苯乙酮骨架的化合物，预测了丹皮酚的合成路径，并结合不同组织的转录组数据筛选根韧皮部中高表达的候选O-甲基转移酶基因。体外酶活检测和酶促动力学分析表明，PoOMT1既能催化4′-羟基苯乙酮的4′-O-甲基化生成4′-甲氧基苯乙酮，也能催化2′,4′-二羟基苯乙酮的4′-O-甲基化生成丹皮酚，且对这两种底物均具有较高的亲和力和催化效率。本氏烟草叶片瞬时表达和凤丹根系病毒诱导的基因沉默实验进一步证实了PoOMT1在丹皮酚生物合成中的关键作用，这些结果共同支持丹皮酚平行后修饰途径的存在。此外，以不同羟基取代模式的苯乙酮类似物为底物的体外酶活实验证实PoOMT1对4′位羟基表现出高度的区域选择性。
通过晶体结构解析与定点突变实验，研究人员揭示了PoOMT1具有一个“T”型底物结合口袋。该口袋通过“双锚定”机制固定底物的乙酰基和4′位羟基，并结合局部空间约束，为PoOMT1的双底物识别与区域选择性提供了结构基础。此外，PoOMT1的催化中心具有不同于其他植物I型O-甲基转移酶的His-Asn-Gln催化三联体，定点突变实验证实其在4′-O-甲基化中发挥着关键作用。进一步对PoOMT1同源蛋白的比较分析发现，他们对两种底物的催化活性存在差异，支持了“T”型底物结合口袋与催化三联体在PoOMT1底物识别及催化中的关键作用。
图2 PoOMT1区域选择性和双底物特异性的结构基础
该研究从基因功能到蛋白质结构，阐明了丹皮酚生物合成中关键4′-O-甲基化步骤的分子基础，揭示了双底物识别与严格区域选择性如何在同一种酶中协同实现。这一发现为完整解析丹皮酚生物合成途径以及开展牡丹药用品质相关研究提供了重要基因资源，同时也为理解植物天然产物的平行生物合成提供了新的视角。
https://www.nature.com/articles/s41467-026-77639-1
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