Post-Cyclization Skeletal Rearrangements in Plant Triterpenoid Biosynthesis by a Pair of Branchpoint Isomerases
- 作者
- Ling Chuang, Shenyu Liu, Jakob Franke
- 单位
- Centre of Biomolecular Drug Research, Leibniz University Hannover; Institute of Botany, Leibniz University Hannover
- 杂志
- Journal of the American Chemical Society（2023）
- DOI
- 10.1021/jacs.2c10838
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
传统上认为三萜化合物骨架在初始环化后不再改变，但无患子目植物中高度修饰的三萜（如柠檬苦素、苦木素）的存在暗示存在催化环化后骨架重排的未知酶。该研究旨在发现并鉴定这些酶，阐明植物三萜骨架多样性的新扩展机制。
研究策略
结合生物信息学（自组织映射筛选共表达基因）、植物瞬时共表达（本氏烟草）、化学分析和NMR结构解析，鉴定并功能验证了参与三萜环化后骨架重排的酶。
核心内容
该研究针对植物三萜环化后骨架是否可被酶促重排这一关键问题展开。研究团队以臭椿为对象，结合共表达基因筛选、本氏烟草瞬时表达、化学分析与NMR结构解析，鉴定出细胞色素P450单加氧酶AaCYP88A154及两个同源异构酶AaISM1和AaISM2。其中AaCYP88A154催化麦连醇C-7,8位环氧化生成7,8-环氧麦连醇（化合物9），而AaISM1和AaISM2虽共享该底物却分别引导生成异麦连二醇和含环丙烷环的原格拉布塔尔，化合物9的环氧碳信号出现在55–63 ppm，原格拉布塔尔环丙烷CH2高场位移至δC=13.9 ppm，证实了骨架重排的发生。系统发育分析表明这两种异构酶来源于甾醇异构酶基因复制分化，且同源基因存在于甜橙、柚子等产柠檬苦素植物中。研究首次揭示了环化后三萜骨架的酶促重排分支机制，扩展了植物三萜多样性生成途径，为柠檬苦素类产物的异源生产奠定了酶学基础。
创新点
首次发现能够对已环化三萜骨架进行酶促重排的细胞色素P450单加氧酶（AaCYP88A154）和两个异构酶（AaISM1和AaISM2），阐明了无患子目中不同类型三萜生物合成的分支机制，并发现新的天然产物7,8-环氧麦连醇、异麦连二醇和原格拉布塔尔。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ailanthus altissima | 三萜生物合成 | AaOSC2 | oxidosqualene cyclase | 催化 | 催化2,3-氧化角鲨烯环化生成tirucallal-7,24-dien-3β-ol |
| Ailanthus altissima | 三萜生物合成 | AaCYP71CD4 | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 氧化tirucallal-7,24-dien-3β-ol生成dihydroniloticin |
| Ailanthus altissima | 三萜生物合成 | AaCYP71BQ17 | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 氧化dihydroniloticin生成麦连醇(melianol) |
| Ailanthus altissima | 三萜生物合成 | AaCYP88A154 | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 催化麦连醇C7,8环氧化生成7,8-环氧麦连醇 |
| Ailanthus altissima | 三萜生物合成 | AaISM1 | isomerase (C-8,7 sterol isomerase homologue) | 催化 | 将7,8-环氧麦连醇重排为异麦连二醇(isomeliandiol) |
| Ailanthus altissima | 三萜生物合成 | AaISM2 | isomerase (C-8,7 sterol isomerase homologue) | 催化 | 将7,8-环氧麦连醇重排为原格拉布塔尔(protoglabretal) |
关键发现
- 鉴定了AaCYP88A154催化麦连醇（melianol）的C-7,8环氧化生成7,8-环氧麦连醇（化合物9）
- 两个同源异构酶AaISM1和AaISM2（氨基酸一致性50%）均以9为底物，但分别生成异麦连二醇（10）和含环丙烷环的原格拉布塔尔（11）
- 9的环氧碳信号为63.22和55.05 ppm，11的环丙烷CH2具有高场位移（δC=13.9 ppm, δH=0.65/0.45 ppm）
- AaISM1/2与拟南芥C-8,7甾醇异构酶一致性分别为45%和53%，系统发育分析表明其由甾醇代谢异构酶基因复制分化而来
- 共表达实验显示ISM1和ISM2控制产物分布，体外酵母微粒体实验验证了相同活性
- 同源基因存在于甜橙（Cs7g22820.1，85%一致性）和柚子（CgUng000240.1，87%一致性）等产柠檬苦素植物中。
研究结论
发现的两个异构酶和一种P450通过共享底物7,8-环氧麦连醇，分别引导阳离子重排级联反应生成不同三萜骨架，控制了apoprotolimonoid/limonoid/quassinoid和glabretane类三萜之间的通路分支。该机制扩展了植物三萜骨架多样性的生成方式，并为柠檬苦素、苦木素等工业相关三萜的生物技术生产奠定了酶学基础。