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    2. 张鹏研究组合作揭示木脂素生物合成关键酶的分子机制

        2021年5月14日,中科院分子植物科学卓越创新中心与上海中医药大学等单位合作在Nature Communications在线发表了题为“Structure-based engineering of substrate specificity for pinoresinol-lariciresinol reductases”的研究成果,揭示了木脂素生物合成关键酶PLR底物选择性的分子机制。

        板蓝根是十字花科植物菘蓝的干燥根,是清热解毒类的代表性中药。而以落叶松脂素为代表的木脂素类成分是板蓝根发挥生物活性的重要物质基础。木脂素是由两分子苯丙素单元氧化聚合而成的苯丙素类植物次生代谢产物,其生物活性与结构多样性密切相关。松脂素-落叶松脂素还原酶(PLR,Pinoresinol Lariciresinol Reductase)是木脂素生物合成的关键酶,能催化松脂醇(Pin, Pinoresinol)生成落叶松脂素(Lar, Lariciresinol),并能进一步催化Lar生成开环异落叶松脂素(Sec, Secoisolariciresinol)。PLR的底物选择性直接决定了下游木脂素的结构骨架,是形成木脂素类化合物结构多样性的关键节点。

        研究团队选取了三个序列高度相似(Identity>80%)但具有底物选择性差异的PLR(菘蓝IiPLR1能高效催化Pin生成Lar并进一步生成Sec,而拟南芥AtPrR1催化Pin生成Lar的效率显著强于催化Lar生成Sec的效率;AtPrR2仅能催化Pin生成Lar)。研究通过解析IiPLR1/AtPrR1/AtPrR2处于反应过程不同状态的晶体结构,发现PLR/PrR蛋白均以首尾相连的二聚体形式存在,底物结合和催化由两个单体共同完成;β4 loop(蓝色哑铃图形)起到门控开关的作用,其摆动可以控制辅酶NADPH的进出(图1)。

        通过比较IiPLR1/AtPrR1/AtPrR2与底物Pin共晶的结构,发现IiPLR1中无序的β4 loop在AtPrR1/AtPrR2中翻折并盖向了底物结合口袋。结合序列比对发现该loop基部氨基酸(98位)的差异可能导致了结合NADPH后整个β4 loop翻转能力的变化,进而影响了底物结合和催化活性。生化分析表明IiPLR1-S98相应突变体有效降低了催化Lar生成Sec的转化率,有趣的是,突变体AtPrR2-N98S使得AtPrR2获得了催化Lar生成Sec的能力。这些结果表明β4 loop在控制底物催化特异性上发挥着重要作用。体内实验进一步证实了上述结论。这项研究阐明了PLR/PrR催化底物反应的机制,并深入揭示了PLR/PrR底物选择性催化的机理,同时为木脂素类成分的高效定向生产及合成生物学改造指明了方向。

        中科院分子植物科学卓越创新中心张鹏组已毕业博士邵凯、上海中医药大学肖莹博士和江南大学周景文教授为本文的共同第一作者。中科院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究员、上海中医药大学陈万生教授及海军军医大学张磊教授为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目和中科院先导项目的资助。

        论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23095-y

        

        图1. PLR/PrR催化过程示意图

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