Structural Basis for Cyclic Terpene Biosynthesis by Tobacco 5-Epi-Aristolochone Synthase
- 作者
- Courtney M. Starkus, Kyoungwhan Back, Joseph Chappell, Joseph P. Noel
- 单位
- Structural Biology Laboratory, The Salk Institute for Biological Studies; Department of Chemistry and Biochemistry, University of California, San Diego; Plant Physiology, Biochemistry, and Molecular Biology Program, University of Kentucky
- 杂志
- Science（1997）
- DOI
- 10.1126/science.277.5333.1815
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
解析烟草5-epi-aristolochone合成酶（TEAS）的三维结构，阐明其催化法尼基二磷酸环化生成双环倍半萜的立体化学控制机制，为工程改造萜类环化酶提供模板。
研究策略
利用X射线晶体学分别解析TEAS及其与两种底物类似物（FHP和F3-FPP）的复合物结构，结合序列对比、突变研究和生化数据，提出了详细的催化机理。
核心内容
该研究通过X射线晶体学解析了烟草5-epi-aristolochone合成酶（TEAS）及其与两种底物类似物复合物的高分辨率三维结构，首次揭示了植物倍半萜环化酶的催化机制。研究者获得了TEAS单结构2.25 Å、FHP复合物2.8 Å及F3-FPP复合物2.15 Å的晶体结构，并发现底物结合诱导J-K环和A-C环有序化，形成封闭的活性位点腔，同时第三个Mg2+位点随之形成。关键创新在于提出Trp273作为芳香族质子供受体参与终末去质子化的新机制——该残基突变为芳香族或非芳香族残基均完全消除产物合成。通过与同源性高达77%的vetispiradiene合成酶（HVS）进行结构比较，研究解释了二者产物特异性差异的结构基础。这些发现表明，萜类环化酶通过活性位点构象动态变化和芳香族残基稳定碳正离子中间体，精确控制环化路径与立体化学，为工程改造萜类环化酶以生成新结构萜类化合物提供了直接的结构模板和设计依据。
创新点
首次报道植物倍半萜环化酶的高分辨率晶体结构；揭示底物结合诱导的活性位点闭合（J-K环等形成盖子）；提出Trp273作为芳香族质子供受体参与最终去质子化的新机制；基于结构模型解释了TEAS与HVS产物特异性的差异。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 倍半萜生物合成 | TEAS（5-epi-aristolochone synthase gene，来自Nicotiana tabacum） | 5-epi-aristolochone synthase (TEAS) | 催化 | 重组表达并用于晶体结构解析 |
| 无（天然来自Hyoscyamus muticus） | 倍半萜生物合成 | HVS（vetispiradiene synthase gene，来自Hyoscyamus muticus） | vetispiradiene synthase (HVS) | 催化 | 与TEAS序列比对及嵌合体分析产物特异性 |
关键发现
- 解析了TEAS单结构2.25 Å、复合物FHP
- 8 Å及F3-FPP
- 15 Å分辨率晶体结构，R因子分别为19.9%、23.4%和25.0%。TEAS与HVS氨基酸序列一致性为77%。晶体属P41212空间群，晶胞参数a=126 Å, c=122 Å。活性位点包含两个Mg2+，底物结合形成第三个Mg2+位点。Trp273突变为芳香族或非芳香族残基均导致5-epi-aristolochone或vetispiradiene合成完全丧失。底物类似物结合使J-K环和A-C环有序化，形成密封活性位点。
研究结论
TEAS结构揭示了萜类环化酶通过活性位点构象动态和芳香族残基稳定碳正离子中间体，精确控制环化路径和立体化学的机制，为设计新功能萜类环化酶提供了结构基础。