三萜类化合物是大量存在于动物、植物、微生物甚至我们体内的有机化合物。已经发现了大约20000种不同的三萜，由于它们具有抗炎、抗癌、抗糖尿病和其他有价值的特性，它们被广泛用于化妆品、食品补充剂以及最重要的药物中。到目前为止，所有已知的三萜都被认为是由一种常见的前体角鲨烯产生的，传统的合成机理：三萜化合物始于角鲨烯合酶催化两分子法尼基焦磷酸形成角鲨烯，进一步氧化生成环氧角鲨烯，而后三萜合酶负责催化角鲨烯或环氧角鲨烯环化形成霍烯或羊毛甾醇，庞大的结构多样性则是由众多不同的修饰酶催化而成。

Figure 1. 以前和唯一已知的三萜生物合成方式之间的差异

然而，武汉大学药学院刘天罡教授团队联合日本东京大学、德国波恩大学团队发表的最新的《Nature》成果颠覆了长期以来陆续揭示的“所有三萜化合物都是以角鲨烯为唯一起始单元合成”的固有认知。没有人能想象到自然界会发生这种情况，这是一种新的生物合成机理的发现。不得不提，这一发现几乎是由武汉大学的团队偶然找到的，他们正在从事基因组挖掘以寻找新的天然产物，并不一定在寻找三萜，但他们发现了广泛分布在真菌中的新基因。在利用高效酿酒酵母底盘挖掘萜类天然产物过程中，武汉大学刘天罡教授团队首次发现丝状真菌来源的I型嵌合萜类合酶TvTS和MpMS的异戊烯基转移酶结构域能够催化异戊烯基焦磷酸（IPP）和烯丙基焦磷酸（DMAPP）缩合生成六聚异戊烯基焦磷酸（HexPP），随后萜类合酶结构域催化HexPP环化生成全新三萜骨架。随后的体内基因激活实验和体外酶促反应都证明合成三萜终产物确实是这类酶所为。其中，波恩大学的团队致力于阐明详细的酶反应机制，东京大学的研究人员将他们的专业知识应用于结构分析。相关研究成果以题为“Discovery of non-squalene triterpenes”发表在最新一期《Nature》上。

东京大学博士后陶慧博士、波恩大学Lukas Lauterbach博士、武汉大学中南医院药学研究院卞光凯研究员、中南医院泌尿外科博士后陈蓉博士、波恩大学博士后侯安伟博士、东京大学Takahiro Mori博士为共同第一作者。东京大学IkuroAbe教授、波恩大学Jeroen S.Dickschat教授、武汉大学刘天罡教授为共同通讯作者。

【三萜的生物合成以及酶的表征】

通常，需要多种酶反应来产生复杂的分子化合物，比如当我们的身体使用角鲨烯来产生激素和胆汁酸时。然而，在单个酶反应中，一个称为C5异戊二烯单元或结构单元的简单分子是构建非常复杂的三萜分子结构的起始物。作者通过对两种真菌嵌合I类TrTS、Talaromyces verruculosus talaropentaene合酶(TvTS)和Macrophomina phaseolina macrophomene合酶(MpMS)进行了表征。两种酶都使用二甲基烯丙基二磷酸和异戊烯二磷酸或六戊二烯二磷酸作为底物。作者进一步通过体外同位素喂养实验解析上述三萜骨架talaropentaene的绝对构型和环化机理以及具有最大环系以及新颖环化机理的三萜骨架macrophomene的产物结构和环化机制。

Figure 2. TvTS和MpMS的表征

【结构解析】

作者通过结构生物学手段分别解析了TvTS的萜类合酶结构域和MpMS的六聚体结构，并结合关键位点氨基酸的突变，阐明了TvTS和MpMS合成三萜骨架的催化机理。一旦人们了解了结构，人们就可以修改它。“在这里或那里改变一些东西，看看会发生什么。我们可以理解结构与功能的关系。这就像一个谜。”作者解释道。

Figure 3. TvTS和MpMS的结构

【进一步进阶】

这一新发现仅仅是个开始。现在作者已经解决了蛋白质结构，并已经在操纵生物合成机制以尝试生产更多有用的分子，例如用于药物开发。武汉大学刘天罡教授团队通过AlphaFold2进行萜类合酶三维结构的批量预测，并结合预测结构与底物分子的对接，刘天罡团队高效地从基因库中筛选获得另外两个三萜合酶CgCS和PTTC074，它们能够成功合成新三萜骨架colleterpenol，夯实了I型嵌合萜类合酶催化HexPP环化生成三萜骨架的普遍性机理。

Figure 4.基于AlphaFold2的CgCS基因组挖掘

【作者简介】

刘天罡，武汉大学药学院教授、博士生导师。中组部万人计划领军人才、中组部万人计划青年拔尖人才、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、湖北省楚天学者特聘教授，以第一完成人获2019年湖北省科学技术进步奖一等奖，2020年珞珈抗疫·十大科研攻关人物、武汉大学2019年青年五四奖章获得者、获武汉大学2019年杰出青年（教职工）称号。

研究领域：合成生物学代谢工程新型生物燃料微生物制药。刘天罡教授在博士工作期间致力于聚醚类抗生素生物合成机制的研究，使人们对这类抗生素生物合成机理有了进一步的认识，并通过组合生物学方法产生新化合物。博士后在斯坦福大学化学工程系ChaitanKhosla院士实验室工作期间致力于改造微生物脂肪酸代谢途径生产先进柴油等工业和医用产品的研究。以第一作者和通讯作者身份发表包括《Science》、《Annual Review of Genetics》、《Metabolic Engineering》、《Chemistry & Biology》、《Methods in Enzymology》等多篇文章。

来源：高分子科学前沿

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