不规则单萜烯合成酶的结构及催化机理研究

The first committed step of monoterpene (C10) biosynthesis is catalyzed by monoterpene synthases, which generally refer to the enzymes that mediate a “head-to-tail” condensation of one isopentenyl diphosphate (IPP) and one dimethylallyl diphosphate (DMAPP). Another group of novel monoterpene synthases which catalyze the condensation of two molecules of DMAPP via “head-to-middle” mechanisms to yield “irregular monoterpenes” have been identified. Since the irregular monoterpene compounds exist in many nature products and have found great commercial applications, the peculiar catalytic mechanism of these unusual enzymes remain a myth. Lavandulyl diphosphate synthase (LPPS), which catalyzes the condensation of two molecules of DMAPP to form lavandulyl diphosphate, is a unique “head-to-middle” monoterpene synthase. In this study, we propose to resolve the crystal structure of LPPS in complex with enzyme substrate, which shall provide the first structure and structure-based mechanism of this irregular monoterpene synthase. The expected results will extend our understanding of prenyltransferases.

单萜烯化合物（Monoterpenes）是指分子中含有两个异戊二烯基单位的萜烯类及其衍生物。一般而言，单萜烯化合物都是指牻牛儿焦磷酸（GPP）或GPP的衍生物，而不规则单萜烯类化合物则是以两分子烯丙基焦磷酸（DMAPP）作为底物，以“头碰中”方式生成的支链状的十碳产物。目前不规则单萜烯合成酶的研究已成为热点，但是其催化机理尚不明确。薰衣草焦磷酸合成酶（LPPS）催化两分子DMAPP生成薰衣草焦磷酸（LPP）-薰衣草醇的前体物。为了研究这一类酶的催化机理，本课题拟利用X光晶体学的方法，解析LPPS及其与底物或底物类似物复合体的晶体结构。本研究旨在利用结构信息和定点突变手段构建突变体，分析验证LPPS的催化机理和关键作用位点。LPPS的结构将成为第一个不规则单萜烯合成酶结构，为这一类酶的后续研究开启重要里程碑。

单萜烯化合物（Monoterpenes）是指分子中含有两个异戊二烯基单位的萜烯类及其衍生物。一般而言，单萜烯化合物都是指牻牛儿焦磷酸（GPP）或GPP的衍生物，而不规则单萜烯类化合物则是以两分子烯丙基焦磷酸（DMAPP）作为底物，以“头碰中”方式生成的支链状的十碳产物。目前不规则单萜烯合成酶的研究已成为热点，但是其催化机理尚不明确。薰衣草焦磷酸合成酶（LPPS）催化两分子DMAPP生成薰衣草焦磷酸（LPP）-薰衣草醇的前体物。为了研究这一类酶的催化机理，本课题拟利用X光晶体学的方法，解析LPPS及其与底物或底物类似物复合体的晶体结构。本研究旨在利用结构信息和定点突变手段构建突变体，分析验证LPPS的催化机理和关键作用位点。熏衣草焦磷酸合成酶LPPS,是“头-碰-中”蝴蝶样折叠顺式合成酶，是一个全新的非典型萜类合成酶，以“头-碰-中”的方式缩合两个DMAPP分子产生分枝型萜类产物。LPPS为蝴蝶样折叠同源二聚体，其活性区具有两个小口袋，分别可容纳一个C5底物。LPPS和底物类似物的复合体结构显示，只有两个DMAPP分子可以稳定存在于这两个口袋中，进而发生缩合反应。反应中负责攻击第一个DMAPP双磷酸基团的78位组氨酸是催化反应发生的关键位点。