李梅研究组与合作者揭示罗汉果苷糖基转移酶SgUGT94-289-3的结构和催化特性

　　

　　罗汉果苷是一类来自药用植物罗汉果 (Siraitia grosvenorii) 的三萜皂苷类次生代谢产物，具有高甜度低热量等特点，在食品添加剂领域具有广阔的市场应用前景，其中罗汉果苷V（M5）和赛门苷I（SIA）已被FDA批准作为天然代糖甜味剂，并被可口可乐、星巴克等公司使用，但是其广泛利用受到罗汉果产量低、果实中甜苷含量少、提取成本高等多种因素限制，通过生物合成技术获得高产量高纯度罗汉果苷是很有前景的解决方案。

　　目前，罗汉果苷生物合成的研发瓶颈在于对其通路酶催化机理缺乏充分了解。罗汉果中的糖基转移酶SgUGT94-289-3是一种尿苷二磷酸糖基转移酶 （UGT,Uridine diphosphate (UDP)-glycosyltransferase），是罗汉果苷生物合成的关键酶，通过连续催化罗汉果苷 IIe (M2E) 和随后的中间罗汉果苷产物的糖基化，负责 M5 和 SIA 的生物合成。SgUGT94-289-3能够识别多种不同的罗汉果苷底物，并在其底物苷元的两个反应端进行催化加糖，其高度杂泛性的罗汉果苷识别机制和多种催化模式的结构基础仍不清楚。

　　2024年7月30日，《Nature Communications》杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所李梅课题组与中国医学科学院药用植物研究所马小军/罗祖良课题组合作的研究论文，题为" Structural insights into the catalytic selectivity of glycosyltransferase SgUGT94-289-3 towards mogrosides "。

　　该项研究报道了糖基转移酶 SgUGT94-289-3 的多种复合物结构和酶学特性，发现 SgUGT94-289-3 在其活性位点形成双底物口袋（图1a），这使得罗汉果苷的两个结构不同的反应端可以从不同的口袋被递送到活性位点进行糖基化反应，从而在实现底物混杂性的同时保持催化区域选择性。通过基于结构的定向改造，研究者进一步确定了对催化活性和区域选择性至关重要的结构基序，获得了M5/SIA 产量显著提高的SgUGT94-289-3 突变体（图1b）。

　　该研究深入揭示了SgUGT94-289-3的双口袋底物结合模型，丰富了不对称底物在糖基转移酶内部杂泛性识别的分子机制，为单酶催化的多步酶工程反应提供了宝贵的结构信息。通过揭示酶的结构和功能细节，为设计具有更高活性和选择性的SgUGT94-289-3工程酶奠定了基础。

图1. （a）SgUGT94-289-3与罗汉果苷底物（M3/M3E）的结构模型，M3/M3E分别结合在2个底物口袋；（b）SgUGT94-289-3突变体在连续糖基化反应过程中各产物的转化率

　　中国科学院生物物理研究所李梅研究员、中国医学科学院药用植物研究所马小军研究员和罗祖良副研究员为该论文的共同通讯作者，中国医学科学院药用植物研究所和中国科学院生物物理研究所联合培养博士崔晟榕（现为生物物理所博士后）和生物物理所张书萌副研究员为论文的共同第一作者。李梅组的博士后王宁、苏小东副研究员也参与了该项研究。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、中国医学科学院医学科学创新基金的共同资助，并获得生物大分子重点实验室开放基金支持。衍射数据收集过程中得到了上海同步辐射装置相关工作人员的支持和帮助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50662-w

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（供稿：李梅研究组）

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