徐正仁团队开发一种基于异戊烯醇利用途径的"氘扫描"方法研究萜环化酶的催化环化机理

　　

2024年11月14日，我院天然药物及仿生药物全国重点实验室徐正仁团队在学术期刊ACS Catalysis 发表了题为“An Isopentenol Utilization Pathway-Based “Deuterium-Scanning” Method for Mechanistic Investigations of Terpene Cyclases”（基于异戊烯醇利用途径的“氘扫描”方法，用于萜环化酶的机理研究）的研究工作。

萜类化合物是一类重要的天然产物，目前已经有超过80000个萜类天然产物被报道，这些萜类天然产物具有复杂的碳骨架结构和多样化的活性。在生物合成途径中，萜环化酶可以催化由MVA/MEP途径组装的线性的焦磷酸前体环化，在经历一系列碳正离子介导的氢迁移，质子转移，烷基迁移后形成多样的萜类碳骨架。因此，理解萜环化酶的环化机理对于指导萜环化酶的挖掘和改造，进而发现新的活性天然产物分子具有重要意义。同位素标记实验是研究萜环化酶机理的重要工具，目前针对萜环化酶的同位素标记实验（同位素标记底物体外反应，利用MVA/MEP途径进行底物投喂）存在着同位素标记精确度和同位素标记底物可获取性不可兼得的问题。因此，开发一种简捷，精确的同位素标记方法用于研究萜环化酶环化机制具有重要的意义。

徐正仁团队首先构建了基于“异戊烯醇利用”途径生产萜烯化合物的工程化大肠杆菌菌株，五碳底物prenol和isoprenol是该菌株生产萜烯化合物的基础原料。该团队通过化学合成手段制备了一系列不同位置氘标记的prenol和isoprenol衍生物。体内转化实验表明，向敲除idi基因的工程菌中以固定比例进行氘标记的prenol和isoprenol的组合投喂可以精确地将氘标记引入萜烯化合物，同时投喂的氘标记的prenol/isoprenol衍生物能够大幅度抑制内源性MEP途径活性，以避免MEP途径生成非标记的IPP/MDAPP掺入萜烯化合物稀释同位素标记精准度。通过将氘标记的prenol或isoprenol与未标记的前体相结合，可以成功地获得具有特定氘标记模式的萜烯产物。这些产物的氘标记模式有助于明确环化过程，尤其是那些涉及立体选择性氢迁移的步骤。研究表明，所获得的结果与精确同位素标记的FPP/GGPP等环化前体体外酶反应结果一致，这验证了该方法的可靠性。该团队利用该方法研究了不同来源（植物，真菌，放线菌），不同类型（倍半萜，二萜，二倍半萜）的六个萜环化酶的机理，确证了这些萜环化酶环化机制中的立体选择性氢迁移问题和环化立体构象问题，展示了该方法较为广泛的适用性。值得一提的是，针对Ⅱ型萜环化酶环化过程中的质子掺入问题，该团队通过设计合成全氘代prenol底物投喂过表达IDI的工程菌中，可以简单确认获得Ⅱ型萜环化酶环化过程中质子掺入的立体选择性和区域选择性信息，相较于传统的重水环境体外酶反应手段，这一手段更加精确且易于操作。

综上所述，这项研究不仅展示了基于异戊烯醇利用途径的氘标记在萜烯合成中的应用潜力，也为深入理解萜烯合成的复杂机制提供了新的视角和方法。通过进一步的实验和理论结合，未来我们可以期待对萜烯环化反应的更多发现和更深层次的理解。

北京大学药学院徐正仁研究员为论文通讯作者。北京大学药学院2022级博士研究生张守祺，博士后王凯标（已出站），2022级博士研究生刘元宁为论文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c05811

作者简介：

张守祺，北京大学药学院天然药物学系2022级博士研究生，研究方向为活性二萜天然产物的化学-酶法合成。以第一作者或共同作者身份在 ACS Catalysis, Biochemistry等杂志上发表多篇学术论文。

王凯标，北京大学药学院博雅博士后，主要研究方向为萜生物合成平台的构建，萜环化酶的基因组挖掘及其机理研究。以第一作者和共同作者身份在Nature, Nat. Commun., ACS Catalysis等杂志上发表多篇学术论文。现在美国加州大学河滨分校（UC Riverside）进行博士后研究。

刘元宁，北京大学药学院天然药物学系2022级博士研究生，研究方向为萜环化酶的基因组挖掘及其机理研究。以第一作者和共同作者身份在ACS Catalysis, ACS Synthetic Biology等杂志上发表多篇学术论文。

徐正仁，博士，北京大学药学院研究员，天然药物及仿生药物全国重点实验室研究员PI，博士生导师。入选国家级人才计划青年项目。长期致力于活性天然产物的化学-酶法合成，新颖酶催化反应开发，以及天然药物化学研究。近年来在JACS、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal.等国际学术期刊发表多篇研究论文。

天然药物及仿生药物全国重点实验室 供稿