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漆小泉研究组揭示植物三萜代谢物多样性形成的催化机制

图:2,3-氧化鲨烯环化酶(OSC)的3个关键位点的氨基酸残基通过改变Tyr 257方向决定产物的构象及结构。C-sC-C: 椅式-半椅式-椅式, C-B-C: 椅式-船式-椅式,Parkeol: 帕克醇,Orysatinol:籼稻醇。



     植物合成结构各异的20多万种代谢产物,其中萜类代谢物多达2万种以上,这些代谢物在植物生长发育及环境适应性方面具有重要的作用。多种三萜类代谢物,如人参和三七中的三萜皂苷类代谢物,是中药的主要有效活性成分。2,3-氧化鲨烯环化酶(OSC)是形成代谢多样性的关键酶,它通过催化底物2,3-氧化鲨烯合成100多种构象和结构各不相同的三萜骨架。但是,OSC如何利用相同的底物产生构象和结构各异的三萜类化合物的机制还不清楚。

     中科院植物分子生理重点实验室漆小泉研究组前期鉴定出粳稻帕克醇合酶(OsPS)合成椅式-船式-椅式构象(C-B-C)的四环三萜帕克醇(parkeol)。最近又发现其籼稻的直系同源基因编码一个新的、多产物OSC,被命名籼稻醇合酶(OsOS),该酶合成一种新的椅式-半椅式-椅式构象(C-sC-C)的五环三萜籼稻醇(orysatinol)的主产物及12种不同的三萜类化合物。分析比较来自水稻的两个亚种及其野生近缘种的同源基因及其功能,发现绝大部分籼稻和野生稻(AA基因组)具有OsOS的催化功能,而OsPS是粳稻驯化过程中由其近缘野生稻新产生的单功能三萜环化酶。利用分子进化分析、蛋白结构模拟、定点突变和催化功能分析,从46个多态性位点中鉴别出3个关键氨基酸位点,其对产物的构象和结构变化具有重要影响。这3个位点的氨基酸残基影响第四个氨基酸残基(Tyr257)的空间方向,从而决定了产物是椅式-船式-椅式构象的四环三萜帕克醇,还是椅式-半椅式-椅式构象的五环三萜籼稻醇。该研究不仅发现了包括籼稻醇在内的多个具有潜在活性的新三萜骨架,而且揭示了形成船式和椅式三萜骨架的催化机制,为今后利用合成生物学手段创制特定的三萜合酶并生产具有商业价值的三萜类活性化合物奠定了基础。
     该成果于3月12日在线发表于国际学术期刊New Phytologist DOI:10.1111/nph.15080。中科院植物所植物分子生理重点实验室漆小泉研究组的副研究员薛哲勇和博士毕业生谭政委为论文共同第一作者,漆小泉研究员和英国John Innes Centre的Anne Osbourn教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、国家留学基金和英国生物技术和生物科学研究委员会(BBSRC)的共同资助。
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