6月1日，Nature（《自然》）在線發(fā)表武漢大學(xué)藥學(xué)院劉天罡教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合日本東京大學(xué)、德國(guó)波恩大學(xué)團(tuán)隊(duì)，在天然產(chǎn)物生物合成領(lǐng)域的最新研究成果。

　　論文題為“Discovery of non-squalene triterpenes”（《非角鯊烯來源三萜的發(fā)現(xiàn)》），顛覆了長(zhǎng)期以來陸續(xù)揭示的“所有三萜化合物都是以角鯊烯為唯一起始單元合成”的固有認(rèn)知，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)三萜化合物都是由I型萜類合酶催化而來，一定程度上填補(bǔ)了這一龐大類群的天然產(chǎn)物合成機(jī)制多樣性的認(rèn)知空白，拓寬了新型三萜化合物深度挖掘和精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)的空間。

　　東京大學(xué)博士后陶慧博士、波恩大學(xué)Lukas Lauterbach博士、武漢大學(xué)中南醫(yī)院藥學(xué)研究院卞光凱研究員、中南醫(yī)院泌尿外科博士后陳蓉博士、波恩大學(xué)博士后侯安偉博士、東京大學(xué)Takahiro Mori博士為共同第一作者。東京大學(xué)IkuroAbe教授、波恩大學(xué)Jeroen S.Dickschat教授、武漢大學(xué)劉天罡教授為共同通訊作者。陶慧、卞光凱、陳蓉和侯安偉曾先后于武漢大學(xué)劉天罡課題組獲得博士學(xué)位，其中兩位前往日本和德國(guó)繼續(xù)從事與這個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)相關(guān)的博士后研究，成功搭建起國(guó)際合作橋梁。該項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)專項(xiàng)以及國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

　　三萜化合物是具有廣泛生物活性的一大類天然產(chǎn)物，已有兩萬多種被先后發(fā)現(xiàn)，成藥四百多種，包括臨床上廣泛使用的眾多重要的甾體激素類藥物和人參皂苷等天然產(chǎn)物，在保障人類健康和提高生活質(zhì)量方面發(fā)揮著不可替代的作用。由于兩萬多種該類產(chǎn)物已被發(fā)現(xiàn)，其合成機(jī)理的傳統(tǒng)認(rèn)知已經(jīng)長(zhǎng)期固化：三萜化合物始于角鯊烯合酶催化兩分子法尼基焦磷酸形成角鯊烯，進(jìn)一步氧化生成環(huán)氧角鯊烯，而后三萜合酶負(fù)責(zé)催化角鯊烯或環(huán)氧角鯊烯環(huán)化形成霍烯或羊毛甾醇，龐大的結(jié)構(gòu)多樣性則是由眾多不同的修飾酶催化而成。

　　在利用高效釀酒酵母底盤挖掘萜類天然產(chǎn)物過程中，劉天罡團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)絲狀真菌來源的I型嵌合萜類合酶TvTS和MpMS的異戊烯基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域能夠催化異戊烯基焦磷酸（IPP）和烯丙基焦磷酸（DMAPP）縮合生成六聚異戊烯基焦磷酸（HexPP），隨后萜類合酶結(jié)構(gòu)域催化HexPP環(huán)化生成全新三萜骨架。隨后的體內(nèi)基因激活實(shí)驗(yàn)和體外酶促反應(yīng)都證明合成三萜終產(chǎn)物確實(shí)是這類酶所為。Dickschat教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過體外同位素喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)解析上述三萜骨架talaropentaene的絕對(duì)構(gòu)型和環(huán)化機(jī)理以及具有最大環(huán)系以及新穎環(huán)化機(jī)理的三萜骨架macrophomene的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和環(huán)化機(jī)制。隨后，Abe教授團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段分別解析了TvTS的萜類合酶結(jié)構(gòu)域和MpMS的六聚體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合關(guān)鍵位點(diǎn)氨基酸的突變，闡明了TvTS和MpMS合成三萜骨架的催化機(jī)理。

　　這種非角鯊烯來源三萜骨架合成方式是否普遍存在？能否通過精準(zhǔn)高效靶向挖掘這類萜類合酶，批量獲得更多的新三萜骨架天然產(chǎn)物？通過AlphaFold2進(jìn)行萜類合酶三維結(jié)構(gòu)的批量預(yù)測(cè)，并結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)與底物分子的對(duì)接，劉天罡團(tuán)隊(duì)高效地從基因庫中篩選獲得另外兩個(gè)三萜合酶CgCS和PTTC074，它們能夠成功合成新三萜骨架colleterpenol，夯實(shí)了I型嵌合萜類合酶催化HexPP環(huán)化生成三萜骨架的普遍性機(jī)理。

　　這是繼今年四月在Nature Catalysis（《自然?催化》）雜志發(fā)表“絲狀真菌萜類生物合成基因簇的高效挖掘”論文以來，劉天罡團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得的又一系統(tǒng)性、完整性和突破性進(jìn)展。該研究讓我們更加深刻地領(lǐng)略了深度挖掘自然界中天然產(chǎn)物“暗物質(zhì)”的巨大潛力和威力，這種海量的基因組寶藏位于一個(gè)龐大的“黑洞”中，對(duì)它創(chuàng)造性地批量挖掘是未來利用合成生物學(xué)技術(shù)撬動(dòng)人類新資源，包括新藥物等大健康產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)、改造、優(yōu)化和利用的鑰匙，也會(huì)引領(lǐng)天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)進(jìn)入新的高度和深度，并以此豐富和改善我們的生活。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04773-3