三萜环化酶的进化历史与现代多样性：从分子化石到细菌源异乔木醇的发现

本研究通过系统发育分析和功能实验，揭示了三萜环化酶(Type II terpenoid cyclases)的进化框架，发现了能合成"孤儿生物标志物"异乔木醇(isoarborinol)的细菌源酶，为解读地质记录中的三萜类分子化石提供了新视角。研究人员鉴定了SHC和OSC分支的关键适应性位点，并发现SHC类酶中存在仅催化氧化角鲨烯的独特亚群。

　　

环状三萜类化合物作为地球上最丰富的天然产物之一，其分子化石记录可追溯至16亿年前。然而地质记录中大量"孤儿生物标志物"与现代生物合成产物间的对应关系始终成谜，特别是早于被子植物出现的乔木烷类化石的生物来源长期存在争议。与此同时，环境宏基因组中大量未培养微生物的三萜环化酶基因功能未知，形成了"分子化石"与"现代酶学"之间的认知鸿沟。

为破解这一难题，斯坦福大学Paula V. Welander团队开展了三萜环化酶超家族的全面研究。通过整合生物信息学、结构生物学和生物化学方法：1)构建包含44,209条序列的数据库进行系统发育重建；2)对14种来自极端环境的宏基因组环化酶进行异源表达和产物鉴定；3)采用结构引导的适应性进化分析；4)运用核磁共振(NMR)确定新发现产物的结构特征。

进化历史分析显示，三萜环化酶与二萜环化酶存在深度分化，其中角鲨烯-何帕烯环化酶(SHC)分支的活性位点呈现加速进化特征，可能反映对烯烃底物的适应性。环氧聚戊烯基环化酶形成独立分支，支持环氧化修饰可能多次独立进化的假说。

功能研究发现两个重要突破：来自深层页岩和内陆湖的细菌环化酶能催化氧化角鲨烯形成异乔木醇，首次证实了细菌来源的乔木烷合成途径。更令人意外的是，在SHC类酶中发现仅能催化氧化角鲨烯(不能催化角鲨烯)的特殊亚群，挑战了底物特异性严格分化的传统认知。

结构进化研究表明，γ结构域可能通过单次进化事件获得，而二萜与三萜环化酶的γ结构域可能独立起源。活性位点与二聚体接触面的正选择信号，揭示了功能分化过程中的分子适应机制。

这项发表于《Molecular Biology and Evolution》的研究具有多重意义：为前寒武纪乔木烷化石提供了合理的细菌来源解释；建立的进化框架可指导未培养微生物环化酶的功能预测；发现的底物特异性"转换"现象拓展了对酶功能进化的认知。特别是异乔木醇环化酶的发现，解决了困扰学界40年的"Permian孤儿生物标志物"来源问题，为重建地球早期生命演化提供了新的分子工具。