雷曉光團隊揭示植物來源分子間Diels-Alder反應酶的自然演化奧秘

　　植物來源的天然産物通常是植物的次級代謝産物，這些次級代謝産物既是調控植物生長發育的信号分子，又可以通過與環境的相互作用來提高植物生存和抵抗外界壓力的能力。植物之所以能夠産生化學結構異常多樣、豐富的次級代謝産物，是因為植物體内存在大量的催化反應酶，幫助快速、高效地合成相關有機小分子。因此，植物被認為是自然界中“最偉大的化學家”。但是，植物中生物合成酶究竟是如何通過自然演化來獲得機制獨特的催化活性一直以來都是沒有被完整回答的重要科學問題。

　　Diels-Alder（D-A）反應，作為有機合成領域中重要的人名反應，一直以其獨特的地位在天然産物的全合成中發揮着重要的作用。鑒于其廣泛的應用前景和深遠影響，從自然界中探尋能夠催化D-A反應的酶（D-A酶）已成為生物合成領域的研究焦點之一。在當前的生物合成領域中，研究者們正緻力于挖掘自然界中潛藏的D-A酶資源，以期通過酶催化手段實現D-A反應的高效、綠色合成。

　　在目前已知的D-A酶中，不同功能的D-A酶在序列和結構上缺乏明顯的保守性。這一特性使得新穎D-A酶的鑒定工作變得尤為困難，特别是對于那些源自植物的D-A酶而言，其鑒定難度更是成倍增加。因此，對D-A酶演化機制的深入研究顯得尤為迫切，這将有望揭開自然界“創造”這類酶的神秘面紗。

　　在實驗室的前期探索中，雷曉光課題組首次在非模式植物白桑中鑒别出兩種具有不同endo/exo選擇性的分子間D-A酶，并對這些酶的催化機制進行了詳盡而系統的研究，相關成果已相繼發表在《自然·化學》和《自然·催化》等期刊上（Nature Chemistry 2020, 12, 620–628; Nature Catalysis 2021, 4, 1059–1069）。基于這些前期的研究，該團隊進一步觀察到，來源于桑科植物的分子間D-A酶MaDA與二烯體合成酶MaMO在序列和結構上展現出了顯著的相似性，兩者均歸屬于FAD偶聯氧化酶家族中的類BBE酶亞家族。然而，令人驚奇的是，盡管大多數類BBE家族的酶主要催化氧化反應，但D-A酶卻催化非氧化反應，這一特性暗示MaDA酶很可能是該家族中一個具有新功能化的成員。這點引發了研究者的濃厚興趣。

　　圖1，首例植物來源分子間D-A反應酶的發現

　　為深入探索D-A酶的自然演化起源和機制，雷曉光教授團隊采用了一系列技術手段，包括祖先序列重建、生物信息學挖掘、結構生物學、酶學、分子動力學模拟以及定點誘變實驗等，全面而系統地揭示了桑樹中FAD依賴的氧化環化酶演化為D-A酶和其功能相關的二烯體合成酶的曆程。研究團隊不僅闡明了這一演化過程中的具體機制，還鑒定了參與功能轉變的關鍵的殘基突變，同時揭示了酶功能轉變過程中底物的微妙調整以适應功能轉變的可能機制。

　　圖2，D-A酶的結構、活性口袋和關鍵突變殘基

　　圖3，FAD依賴的氧化環化酶演化為D-A酶的模型

　　該工作以“The evolutionary origin of naturally occurring intermolecular Diels-Alderases from Morus alba”為題，在《Nature Communications》期刊上發表（DOI: 10.1038/s41467-024-46845-0）。自1928年Diels-Alder反應被首次報道以來，盡管衆多科學家在過去的幾十年裡緻力于對該反應的生物合成酶進行深入的挖掘和鑒定，但所發現的D-A酶數量仍然寥寥無幾。這項關于D-A酶演化機制的重要研究為未來D-A酶的挖掘和改造提供了新的思路和方向，為生物合成和化學合成領域的發展注入新的活力。同時該研究也為深入理解植物天然産物的生物合成途徑與自然進化提供了重要思路。

　　beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心雷曉光教授和團隊中高磊特聘副研究員為論文的共同通訊作者。beat365雷曉光課題組博士生丁琪和郭念昕為共同第一作者；範俊萍特聘副研究員、吳東山、楊軍以及美國東北大學翁經科教授和其研究生Michelle McKee也參與了相關研究工作。相關生物信息學分析和計算化學在beat365高性能計算平台上完成。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合研究中心、新基石基金會等項目和單位的資助。

　　原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46845-0