Unearthing the roots of the terpenome
- 作者
- David W Christianson
- 单位
- Roy and Diana Vagelos Laboratories, Department of Chemistry, University of Pennsylvania, 231 South 34th Street, Philadelphia, PA 19104-6323, United States
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2008）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2007.12.008
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
萜类合酶如何通过活性位点模板的宽松性产生萜类化合物的巨大结构多样性，以及这种模板如何通过突变进化出新的催化功能。
研究策略
综合结构生物学、定点突变、嵌合酶构建和底物类似物研究，分析I类和II类萜类合酶的结构-功能关系及其进化潜力。
核心内容
该综述系统探讨了萜类合酶催化多样性背后的结构基础与进化机制。作者综合结构生物学、定点突变、嵌合酶构建及底物类似物等手段，分析了I类和II类萜类合酶的结构-功能关系，提出其活性位点是一种可进化的“分子模板”，能以宽容方式引导碳正离子介导的环化或偶联反应，而非直接参与化学转化。高度保守的α-螺旋折叠赋予这些酶显著的结构可塑性。关键证据包括：γ-humulene合成酶可产生多达52种产物，而目标产物仅占28.6%；对FPPase突变体仅加深活性位点即可合成含14个异戊二烯单元的产物；替换单个活性位点残基即可将isokaurene合酶或abietadiene合酶转变成特异性pimaradiene合酶；对γ-humulene合成酶每轮仅3–5个残基的饱和突变即可改变优势产物。这些发现表明，少量氨基酸替换即可重新定向催化级联，产生新结构，为萜类天然产物超过55,000种的庞大多样性提供了根本解释，也提示此类酶可作为合成生物学中定向进化的理想平台。
创新点
提出萜类合酶活性位点是可进化的分子模板，其精巧性不高但可通过少数氨基酸替换重新定向环化/偶联级联，从而产生新的萜类产物；揭示了α-螺旋折叠在I类和II类酶中的保守性和多功能性。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 萜类生物合成 | — | farnesyl diphosphate synthase (FPPase) | 催化 | 催化IPP与DMAPP的1'-4链延伸偶联反应，活性位点深度决定产物链长 |
| Sinapis alba | 萜类生物合成 | — | geranylgeranyl diphosphate synthase (GGPPase) | 催化 | 催化FPP与IPP链延伸生成GGPP，与FPPase共享α-束折叠 |
| Artemisia tridentata ssp. spiciformis | 萜类生物合成 | — | chrysanthemyl diphosphate synthase (CPPase) | 催化 | 催化两分子DMAPP的环丙烷化偶联，与FPPase有75%序列同源性 |
| Homo sapiens | 萜类生物合成 | — | squalene synthase | 催化 | 催化两分子FPP的环丙烷化反应生成角鲨烯，采用FPPase折叠但序列同源性低 |
| Nicotiana tabacum | 倍半萜生物合成 | — | 5-epi-aristolochene synthase | 催化 | 催化FPP环化生成5-epi-aristolochene，可产生25种倍半萜产物 |
| Aspergillus terreus | 倍半萜生物合成 | — | aristolochene synthase | 催化 | 高保真倍半萜环化酶，专一产生aristolochene，活性位点呈产物状轮廓 |
| Fusarium sporotrichioides | 倍半萜生物合成 | — | trichodiene synthase | 催化 | 催化FPP环化生成trichodiene，产生约11%替代产物，底物类似物会改变产物比例 |
| — | 单萜生物合成 | — | bornyl diphosphate synthase | 催化 | 催化香叶基二磷酸环化生成龙脑基二磷酸，活性位点与碳正离子类似物结合 |
| Mentha spicata | 单萜生物合成 | — | limonene synthase | 催化 | 植物单萜环化酶，具有N端和C端双结构域，C端为I类萜类合酶折叠 |
| Abies grandis | 倍半萜生物合成 | — | γ-humulene synthase | 催化 | 多产物倍半萜合酶，产生52种产物，其中γ-humulene占28.6% |
| Abies grandis | 二萜生物合成 | — | abietadiene synthase | 催化 | 双功能二萜合酶，两个结构域均催化环化；单残基突变可转变为pimaradiene特异性合酶 |
| Arabidopsis thaliana | 三萜生物合成 | — | baruol synthase | 催化 | 氧化角鲨烯环化酶，产生90% baruol和22种次要三萜产物 |
| Streptomyces coelicolor | 倍半萜生物合成 | — | germacradienol-geosmin synthase | 催化 | 双功能I类萜类合酶，N端催化FPP环化生成germacradienol，C端催化生成geosmin |
| — | 二萜生物合成 | — | fusicoccadiene synthase | 催化 | 真菌中的嵌合二萜合酶，C端催化链延伸生成GGPP，N端催化环化生成fusicoccadiene |
关键发现
萜类天然产物已发现超过55,000种。γ-humulene合成酶可产生52种不同产物，其中γ-humulene仅占28.6%。FPPase突变体的活性位点加深后可合成含多达14个异戊二烯单元的聚异戊二烯焦磷酸。仅替换1个活性位点残基即可将isokaurene合酶或abietadiene合酶转化为特异性pimaradiene合酶。对γ-humulene合成酶每次仅3-5个氨基酸残基的饱和突变即可改变其优势产物。trichodiene合酶产生约11%的替代倍半萜产物。5-epi-aristolochene合成酶可产生25种倍半萜产物。拟南芥baruol合酶产生90%的baruol，其余10%含22种次要三萜产物。
研究结论
萜类合酶通过在底物结合后触发离子化并形成闭合的产物样活性位点模板，以‘宽容’的方式引导碳正离子介导的偶联或环化反应；这种模板的可进化性是萜类天然产物多样性的根源。除了触发电离和模板作用外，酶对催化化学的直接介入很小，其结构折叠（I类α-束和II类双α-桶）在进化上高度可塑性。