灣區時訊
倍半萜是萜類化合物中占比最多的一種，分子中含15個碳原子，由三個異戊二烯單元組成鏈狀、環狀等多種骨架結構，分布于植物、昆蟲、微生物等生物中，具有廣泛的生物活性，是醫藥、食品和化妝品研發的重要源泉。Terrecyclic acid是一類由環戊烷駢雙環辛烷組合而成的quadrane倍半萜骨架，經過氧化后修飾而成的一類具有抗菌、抗腫瘤活性天然產物。該類化合物最早發現于土曲霉，后又相繼從不同來源的真菌和柳珊瑚中發現（如圖1）。
由于quadrane骨架的特殊結構與良好的生物學活性，其制備方法的研究受到廣泛關注，其中合成化學家先后開發出20余條合成路線。然而由于該類化合物特殊的結構和成環方式，使得其化學合成步驟多，產率較低，在一定程度阻礙了先導藥物的開發。通過合成生物學方法大量制備quadrane類天然產物，是解決這一問題的有效策略。同位素示蹤實驗表明，quadrane骨架的生物合成可能經歷了兩種完全不同的途徑，即Hirota途徑和Coates途徑。盡管計算化學研究表明后者的可能性更高，但quadrane骨架的生物合成基因與其形成的確切酶學機制仍有待證實（路徑圖1）。
閆巖研究員團隊通過對真菌基因組的挖掘，發現了該類化合物的生物合成基因簇ter，包括一個TC即terA、一個P450氧化基因（terB）、一個短鏈脫氫基因（terC）和一個主要協同轉運因子超家族基因（terD），如圖2A。通過異源表達、體內喂養、體外酶反應等研究，驗證了基因簇中各基因的功能（圖2B-2E），證實了其生物合成途徑：即在環化酶TerA的作用下催化FPP產生化合物25，進而產物25被P450酶TerB羥化和羧基化產生化合物32，最后32被脫氫酶TerC催化形成終產物2，如圖2F。
在發現新型倍半萜環化酶（β-terrecyclene合酶，TerA）可以催化法尼基焦磷酸（FPP）轉化為β-terrecyclene（25）的基礎上，通過對TerA的系列定點突變研究（圖3），結合動力學同位素效應分析（圖4），確證了環化過程為Coates途徑，而非最早提出的Hirota途徑。
通過以上研究，作者發現了抗菌、抗腫瘤quadrane骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成基因簇，以此為基礎，解析了其通過β-terrecyclene環化酶TerA形成quadrane骨架，繼而氧化、脫氫的后修飾的生物合成過程。Quadrane骨架的形成機制也通過對蛋白TerA的點突變和動力學同位素效應得以證實，從而解決了幾十年來關于該類天然產物生物合成研究的謎團。該研究也為進一步以萜類環化酶TerA為探針，從真菌數據庫中對quadrane類天然產物的發掘奠定了基礎。
以上研究，副研究員宋永相為第一作者，研究員閆巖為通訊作者。由濟南大學的王文貴博士，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）唐奕（Yi Tang）教授團隊合作完成。
上述研究工作得到了國家重點研發計劃、海南省科技計劃三亞崖州灣科技城科技創新聯合項目、國家自然科學基金、中國科學院王寬誠率先人才計劃“盧嘉錫國際團隊項目”和海南省自然科學基金、廣東特支計劃 “海洋藥物研究開發創新團隊”等的資助。
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文章相關信息：Yongxiang Song, Wengui Wang, Jiafan Yang, De-Wei Gao, John M Billingsley, Songtao Wang, Yiguang Zhu, Junfeng Wang, Jianhua Ju, Yan Yan* and Yi Tang. Chem. Sci., 2024, doi.org/10.1039/D4SC01208A
通訊員/謝文燕 王沐眾 徐曉璐
責任編輯/劉秀
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