鑽石舞台

二萜類天然產物是萜類家族中結構多樣性最強的一類化合物（已發現大約18000個），且具有多種生物活性。這類化合物的化學骨架多樣性主要歸功於二萜環化酶的催化，該類酶可以將20個碳原子的通用線裝底物GGPP轉化成各種富含手性中心和環繫結構的二萜產物。然而，相對於二萜類化合物的大量發現，二萜環化酶的結構和催化機制研究大為滯後，尤其是對它們如何催化產生多環二萜的理解比較欠缺。

近日，北京大學藥學院馬明研究團隊與德國波恩大學Jeroen S. Dickschat教授合作，通過解析二萜環化酶晶體結構揭示複雜四環二萜cattleyene生物合成機制，並基於晶體結構開展定點突變改變酶的產物結構，獲得新骨架二萜化合物。

Cattleyene（1）是一個新骨架的四環二萜，具有不同於其它二萜化合物的5/5/6/5環繫結構。研究團隊針對cattleyene的二萜環化酶CyS開展了研究，解析了CyS的母體晶體結構（2.00 Å）、CyS與原始底物GGPP的複合物晶體結構（1.87 Å）。該複合物晶體結構首次揭示了原始底物GGPP在二萜環化酶活性口袋中的結合信息，不同於文獻報道中的GGPP類似物的結合信息。進一步深入分析發現CyS活性口袋中的多個芳香性氨基酸可以通過cation-π相互作用穩定碳正離子中間體，分子對接實驗揭示了CyS從結合GGPP到生成cattleyene的完整環化過程。

研究團隊開展了定點突變研究，驗證了CyS活性口袋中的關鍵氨基酸殘基的功能。關鍵殘基的突變導致無法穩定碳正離子中間體，使得生物合成流向上游旁路路徑，產生不同骨架的二萜產物。出乎意料的是，一個遠離GGPP結合口袋的突變C59A除了產生cattleyene外，還產生了5個不同環系新產物（化合物2-5）。研究團隊進而解析了CySC59A突變體的晶體結構（2.30 Å），揭示了半胱氨酸C59雖然不與底物GGPP直接相互作用，但是其突變為丙氨酸後空間位阻減小，鬆弛了活性口袋，使得突變後的酶能夠更快地結合底物並催化反應，但同時失去了只產生cattleyene一個產物的專一性。

鑑於突變體產物化合物6是一個新骨架四環二萜，它的環化機制無法通過經驗進行簡單的推測，因此研究團隊通過一系列13C 和2H的同位素標記實驗，揭示了化合物6形成中所經歷的多種骨架重排和氫負離子遷移的過程。

該研究不僅推進了對四環二萜環化酶催化機制的理解，也為複雜環系二萜的合成生物學製備提供了依據。