2024年7月15日，中国科学院上海药物研究所郭跃伟团队、烟台新药创制山东省实验室徐宝福团队联合中国科学院上海感染与免疫研究所王程远教授、中国海洋大学王长云教授团队在国际期刊Nature Communications上发表题为“Discovery of a terpene synthase synthesizing a nearly non-flexible eunicellane reveals the basis of flexibility”的研究论文，系统针对非柔性eunicellane二萜骨架合酶的生物合成机制以及相关的非柔性机理进行研究，回答了eunicellane家族化合物特有的构象动态变化问题，为eunicellane家族化合物的合成生物学生产体系构建以及构象控制等奠定了理论基础。 

Eunicellane家族天然产物是一种具有独特6,10-双环碳骨架的二萜化合物，多显示良好的生物活性，使其成为药物开发的重要候选化合物。然而，这些化合物含量较低，且多数生物合成途径未被解析，限制了药物研发进程。

目前针对eunicellane萜类骨架的生物合成研究比较稀少，主要有徐宝福研究员参与研究的Bnd4 (Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 14163–14170；和Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 23159–23163)和AlbS (Chem, 2023, 9(3), 698-708.)，以及美国Bradley S. Moore与Eric W. Schmidt在Nat. Chem. Biol.杂志上背靠背报道了珊瑚来源的EcTPS1和BaTC-2 (Nat. Chem. Biol., 2022, 18, 659–663. 和Nat. Chem. Biol., 2022, 18, 664–669)。

在eunicellane的一系列研究过程中，徐宝福团队发现了细菌来源的eunicellane的骨架呈现出动态的构象转变现象，而珊瑚来源的eunicellane骨架呈现出稍弱化的构象转变现象，由此猜测eunicellane骨架的构型和构象可能存在一定的因果关系。为了探索其中的奥秘，徐宝福团队致力于发现非柔性eunicellane合酶，并以此为基础对eunicellane骨架的构型和构象的因果关系问题进行探究。

在本项研究中，科研人员利用基因组挖掘技术成功找到了可催化二萜前体GGPP形成非柔性eunicellane骨架的功能酶MicA，并对其活性进行了表征。通过对比MicA与其他已知的eunicellane合酶产物，并结合量子化学计算和变温核磁等实验手段，研究人员提出了eunicellane二萜骨架柔性的调控机制：eunicellane骨架中桥接碳原子的立体化学特性（顺式/反式）以及相邻双键的立体化学特性（顺式/反式）共同决定了骨架的柔性。通过选择合适的桥接碳原子和相邻双键的立体构型，可以合成具有特定柔性的eunicellane二萜骨架。同时，通过同位素标记实验和量子化学计算等方法，团队确定了MicA的催化机制，并将其与已知其他eunicellane合酶的催化机制进行了比较，从而加深了对eunicellane二萜类化合物生物合成途径的理解。此外，该研究还进一步研究了其蛋白结构基础，突变V220和L221后，产物结构发生变化，提示这两个残基可能参与调控产物立体化学。这些研究发现不仅有助于科研人员进一步理解不同类型eunicellane合酶的催化机制，并且对于从化学合成方面调控eunicellane骨架的构象分布等具有重要的意义，也为将来eunicellane家族天然产物的合成生物学体系构建积累了生物学元件。

首个非柔性eunicellane合酶MicA的发现与机制解析

该论文的共同第一作者为中国海洋大学-烟台新药创制山东省实验室联培博士生李金凤、上海药物所博士后陈宝、付尊蕴博士和南京中医药大学-中国科学院上海感染与免疫研究所联培博士生冒婧敬。徐宝福研究员、郭跃伟研究员、中国科学院上海感染与免疫研究所王程远研究员和中国海洋大学王长云教授为该论文的共同通讯作者。上海药物所郑明月研究员及博士后付尊蕴在化学计算方面做出了重要贡献。美国佛罗里达大学Jeffrey D. Rudolf教授为本研究提供了意见和帮助。徐宝福团队刘丽君和陈晓辰亦对本文有贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、泰山学者项目、山东省实验室专项、山东省自然重大基础项目和上海白玉兰人才计划浦江项目等项目和单位的资助。

全文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-50209-z