2019年9月28日，plant Communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究组与张鹏研究组的合作研究成果“Structural Insights into the Catalytic Mechanism of a plant Diterpene Glycosyltransferase SrUGT76G1”。该研究详细阐释了二萜类化合物糖基转移酶SrUGT76G1的底物识别与催化的分子机制。

糖基转移酶介导的天然产物糖基化是次生代谢产物生物合成中最广泛存在的一种修饰方式，也是植物细胞维持代谢平衡的主要机制之一，决定了次级代谢产物的水溶性、生物活性、稳定性、毒性、运输性及亚细胞定位等。迄今为止，人们对这类糖基转移酶的底物识别专一性和产物生成特异性的分子机制仍知之甚少。

在本项工作中，作者对甜叶菊来源的具有广泛底物催化活性的二萜糖基转移酶SrUGT76G1进行了蛋白结构与催化机制的研究，发现该酶能识别多种二萜及其他小分子化合物生成相应的糖基化产物。作者获得了SrUGT76G1与四种不同底物的复合物的晶体结构，发现SrUGT76G1之所以能够识别多种不同的底物，在于其宽大的糖基受体结合口袋，这与已知的黄酮或水杨酸糖基转移酶具有明显的不同。进一步的研究发现，Gly87与Leu204是决定SrUGT76G1底物识别特异性的关键残基，突变可实现二萜糖基转移酶对底物的识别的转换，即由二萜转换为黄酮。研究同时发现, Thr284是决定底物识别专一性与产物特异性的关键位点。基于此，作者成功地实现了以莱宝迪苷D（RebD）为底物高效合成稀有的高倍甜味剂莱宝迪苷M（RebM），降低了该酶对底物莱宝迪苷A（RebA）的识别，大大减少了副产物莱宝迪苷I（RebI）的生成。本研究工作揭示了二萜糖基转移酶底物识别与催化的分子机制，为通过糖基化工程合成更多结构和功能多样性的天然或非天然糖基化产物奠定了分子基础。本研究也提供了一种高效便捷的方式，可通过合成生物技术大规模制造RebM等植物中稀有的二萜糖苷类化合物，目前该技术已成功实现了工业化推广。


图1：SrUGT76G1催化底物反应

中国科学院分子植物科学卓越创新中心王勇研究员和张鹏研究员为论文共同通讯作者。王勇研究组博士生刘志凤、博士后孙雨伟以及张鹏研究组副研究员李建戌博士为本论文共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金、中国科学院相关研究项目的资助。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.xplc.2019.100004