8月7日，Nature communications（《自然-通讯》，IF=12.12）在线发表了9778818威尼斯刘天罡课题组，日本东京大学Ikuro Abe课题组以及美国宾夕法尼亚大学David Christianson课题组有关萜类合酶新功能的重要发现。论文题目为“Discovery of the cryptic function of terpene cyclases as aromatic prenyltransferases”。东京大学博士生何海兵、9778818威尼斯卞光凯博士，宾夕法尼亚大学博士生Corey Herbst-Gervasoni为本文共同第一作者；David Christianson教授，Ikuro Abe教授和刘天罡教授为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划合成生物学专项、国家自然科学基金、湖北省杰出青年基金的大力支持。
萜类化合物是自然界中种类最为丰富且具有众多显著生物活性的一类天然产物，广为人知的青蒿素、紫杉醇、人参皂苷等是这一类产物的杰出代表。作为萜类化合物通用底物，异戊烯基焦磷酸能够被与之相匹配的萜类合酶催化，形成复杂萜类核心骨架。此外，异戊烯基焦磷酸还可以作为UbiA型以及ABBA型芳香族异戊烯基转移酶的底物，合成异戊烯化的芳香族产物。萜类合酶和芳香族异戊烯基转移酶都被认为是多功能酶，具有底物以及产物杂泛性，是产物结构和功能多样性的基础。然而，迄今为止，还没有证据表明这两类酶的生物学功能存在着交集。
在该研究工作中，刘天罡，Ikuro Abe以及David Christianson教授带领团队分工合作，首次报道发现除了合成萜类化合物外，萜类合酶还扮演着不为人知的芳香族异戊烯基转移酶的角色。在前期研究工作中，刘天罡教授课题组成功地在大肠杆菌、酿酒酵母等微生物体内搭建了萜类前体高效供给底盘（Biotechnology & Bioengineering，2014，通讯作者），并开发了基于该底盘的萜类产物高效挖掘策略，颠覆传统的天然产物挖掘方式，实现了一系列萜类新骨架的高效挖掘和机理解析（Metabolic Engineering，2017，通讯作者；Current Opinion in Biotechnology，2017，通讯作者；Organic Letters，2018，通讯作者；Angewandte Chemie，2018，共同通讯作者；JACS，2020，共同通讯作者）。借助前期搭建的大肠杆菌萜类前体高效供给底盘，快速鉴定了AaTPS生物学功能以及与之对应的倍半萜骨架。此外，由于强大的底物供给能力充分释放该酶的产物合成潜力，刘天罡课题组在含有AaTPS菌株的发酵产物中意外地发现并鉴定了一系列含量较低的异戊烯基吲哚（prenylindole）类产物。随后通过体外反应和酶促动力学实验证实了萜类合酶AaTPS具有芳香族异戊烯基转移酶的功能。而且发现其活性偏好受pH值影响，在中性pH值条件下主要发挥萜类合酶功能，而在碱性环境下能够以多种芳香族化合物和DMAPP为底物合成异戊烯基芳香族产物。受此启发，刘天罡课题组进一步通过体外反应验证了这种芳香族异戊烯基转移酶功能广泛存在于真菌来源（FgGS，FgFS，CgDS等）和植物来源（TXS，紫杉二烯合酶）的I型萜类合酶中，证明了该功能的普遍性。
为了深度解析这些双功能酶的催化机理，Ikuro Abe教授和David Christianson教授课题组分别对倍半萜合酶AaTPS和二萜合酶FgGS进行酶动力学和结构生物学研究。证实了I型萜类合酶是双功能酶，它们能够在同一活性位点催化合成萜类和异戊烯基芳香族产物。并且基于结构生物学研究结果，解析了萜类合酶催化芳香族底物烯丙基化的机理：首先，芳香族底物进入活性腔导致活性位点封闭，以保护碳正离子中间体免于被大量溶剂过早淬灭。随后，金属离子与DMAPP之间形成配位键从而引发DMAPP离子化，产生烯丙基碳正离子和Mg2+3-PPi复合体。紧接着，烯丙基碳正离子烷基化相邻的杂环芳香族底物的吲哚环，形成C-C或C-N键。最终，PPi获取吲哚碳正离子中间体的酸性质子，生异戊烯基吲哚终产物。
植物萜类天然产物在微生物中的高效合成一直是代谢工程和合成生物学的热点和难点，萜类产物的产量（如紫杉醇核心骨架紫杉二烯）与吲哚的含量呈负相关性，然而其深层次的机理一直不为人知（Science, 2010）。为了揭示这一悬而未决的问题，作者系统地研究了大肠杆菌工程菌中吲哚，异戊二烯前体以及产物三者之间的浓度关系。证实了吲哚浓度与类异戊二烯前体浓度呈正相关，而与萜类产物浓度呈负相关。为此，作者提出本研究新发新的芳香族异戊烯基转移酶活性可作为细胞的一种内源性调节机制，在特定情况下减轻因异戊二烯底物过量积累而对细胞产生的毒性。
在本研究中，基于刘天罡课题组开发的萜类前体高效供给底盘，联合团队充分地展示了萜类合酶的生物合成潜力，挖掘并证实了隐藏已久的萜类合酶的芳香族异戊烯基转移酶功能。随后通过一系列实验证明了其普遍性、深层次的酶催化机理以及潜在的生物学意义，进一步加深我们对萜类合酶的认知。该研究向我们进一步展示了微生物高产底盘在天然产物挖掘领域的显著优势与强大的应用潜力。此外，值得我们思考的是，自然界中其它种类的酶是否也蕴藏着一系列不为我们所知的新的生物学功能呢？
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17642-2.
