研究揭示木脂素生物合成關鍵酶的分子機制

　　5月14日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心與上海中醫藥大學等合作，在Nature Communications在線發表了題為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關鍵酶PLR底物選擇性的分子機制。

　　板藍根是十字花科植物菘藍的干燥根，是清熱解毒類的代表性中藥。而以落葉松脂素為代表的木脂素類成分是板藍根發揮生物活性的重要物質基礎。木脂素是由兩分子苯丙素單元氧化聚合而成的苯丙素類植物次生代謝產物，其生物活性與結構多樣性密切相關。松脂素-落葉松脂素還原酶（PLR，Pinoresinol Lariciresinol Reductase）是木脂素生物合成的關鍵酶，能催化松脂醇（Pin，Pinoresinol）生成落葉松脂素（Lar，Lariciresinol），并能進一步催化Lar生成開環異落葉松脂素（Sec，Secoisolariciresinol）。PLR的底物選擇性直接決定了下游木脂素的結構骨架，是形成木脂素類化合物結構多樣性的關鍵節點。

　　研究團隊選取了三個序列高度相似（Identity＞80%）但具有底物選擇性差異的PLR（菘藍IiPLR1能高效催化Pin生成Lar并進一步生成Sec，而擬南芥AtPrR1催化Pin生成Lar的效率顯著強于催化Lar生成Sec的效率；AtPrR2僅能催化Pin生成Lar）。研究通過解析IiPLR1/AtPrR1/AtPrR2處于反應過程不同狀態的晶體結構，發現PLR/PrR蛋白均以首尾相連的二聚體形式存在，底物結合和催化由兩個單體共同完成；β4 loop（藍色啞鈴圖形）起到門控開關的作用，其擺動可以控制輔酶NADPH的進出（圖1）。

　　通過比較IiPLR1/AtPrR1/AtPrR2與底物Pin共晶的結構，發現IiPLR1中無序的β4 loop在AtPrR1/AtPrR2中翻折并蓋向了底物結合口袋。結合序列比對發現該loop基部氨基酸（98位）的差異可能導致結合NADPH后整個β4 loop翻轉能力的變化，進而影響底物結合和催化活性。生化分析表明IiPLR1-S98相應突變體有效降低了催化Lar生成Sec的轉化率，突變體AtPrR2-N98S使AtPrR2獲得了催化Lar生成Sec的能力。結果表明，β4 loop在控制底物催化特異性上發揮著重要作用。體內實驗進一步證實了上述結論。該研究闡明了PLR/PrR催化底物反應的機制，并揭示了PLR/PrR底物選擇性催化的機理，并為木脂素類成分的高效定向生產及合成生物學改造指明了方向。

　　分子植物卓越創新中心張鵬組已畢業博士邵凱、上海中醫藥大學博士肖瑩和江南大學教授周景文為論文的共同第一作者。分子植物卓越創新中心研究員張鵬、上海中醫藥大學教授陳萬生及海軍軍醫大學教授張磊為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院戰略性先導的資助。

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PLR/PrR催化過程示意圖