大麻萜烯合成酶活性位点的可塑性解析：萜品油烯合酶(CsTOS)的结构与功能研究

研究人员针对大麻(Cannabis sativa)中关键香气成分萜品油烯的生物合成机制，通过解析萜品油烯合酶(CsTOS)的2.5 ?晶体结构，结合定点突变技术，发现H618等关键残基通过稳定碳阳离子中间体决定产物特异性。该研究为定向改造萜烯合成酶(TPS)提供了结构基础，对定制化大麻萜烯生产具有重要应用价值。

　　

在植物王国中，大麻(Cannabis sativa)因其独特的化学成分而备受关注，尤其是其产生的萜烯类化合物不仅赋予大麻特有的香气和风味，还具有潜在的药用价值。萜品油烯(terpinolene)作为一种单萜(monoterpene)，以其木质柑橘香气显著影响大麻产品的感官特性。然而，萜烯合成酶(terpene synthase, TPS)如何精确控制产物特异性，一直是困扰研究人员的难题。

澳大利亚研究委员会资助的研究团队在《Journal of Structural Biology》发表重要成果，首次解析了大麻萜品油烯合酶(CsTOS)的晶体结构，揭示了其活性位点的可塑性机制。研究人员通过X射线晶体学获得2.5 ?分辨率的apo-CsTOS结构，发现其具有典型的I类单萜合成酶折叠特征。结合16个定点突变体的功能分析，鉴定出H618等关键残基通过稳定碳阳离子中间体决定产物特异性，成功将主要产物从萜品油烯转变为柠檬烯(limonene)。

关键技术方法包括：1) 基于薄荷柠檬烯合酶(PDB: 2ONH)的同源建模；2) 重组CsTOS(78-638残基)的表达纯化；3) X射线晶体学结构解析；4) 定点突变文库构建；5) 气相色谱-质谱(GC-MS)产物分析。

【CsTOS是二聚体蛋白且富含α螺旋】
晶体结构显示CsTOS采用α螺旋束(α-fold)构成活性位点空腔，与I类TPS保守结构一致。二聚体界面分析揭示了非典型寡聚化模式。

【H618是产物特异性的关键决定因素】
将H618替换为带电氨基酸导致产物从萜品油烯转变为柠檬烯，证实其通过稳定碳阳离子中间体控制反应路径。此外，W324和Y365等残基构成5 ?范围内的上位互作网络，调控底物定位。

【新突变揭示扩展的产物谱】
A341、G474等位点突变产生野生型中未见的单萜变体，包括无环单萜月桂烯(myrcene)、芳樟醇(linalool)，以及双环单萜(+)-桧烯(sabinene)，证明单残基改变即可显著改变活性位点轮廓。

这项研究首次阐明了大麻萜品油烯合成的结构基础，揭示了I类TPS活性位点的动态调控机制。通过精确操控关键残基如H618，可实现从通用底物GPP定向合成特定单萜。这不仅深化了对植物萜烯多样性的理解，更为大麻产业的靶向育种和合成生物学改造提供了分子蓝图。特别值得注意的是，发现的残基互作网络跨越α螺旋束，为理性设计具有新催化功能的TPS酶开辟了道路。研究成果对优化大麻感官品质和开发高值萜烯产品具有重要应用前景。