《Current Opinion in Chemical Biology》：Recent discovery of new enzymes in plant natural product biosynthesis
编辑推荐：
植物是天然产物的巨大宝库，拥有多种多样的结构骨架，成为发现新型酶的宝贵来源。这些酶能够催化生物合成途径中独特且进化特化的代谢转化。基因组学、代谢组学、蛋白质结构预测和异源途径重建技术的快速进步，使得能够识别出许多负责关键骨架形成和修饰反应的生物合成酶。特别是那些能够催化复杂化学转
植物是天然产物的巨大宝库，拥有多种多样的结构骨架，成为发现新型酶的宝贵来源。这些酶能够催化生物合成途径中独特且进化特化的代谢转化。基因组学、代谢组学、蛋白质结构预测和异源途径重建技术的快速进步，使得能够识别出许多负责关键骨架形成和修饰反应的生物合成酶。特别是那些能够催化复杂化学转化的植物来源酶，例如氧化碳-碳键重排、非典型的环加成反应、自由基介导的偶联反应以及迭代骨架重塑反应。本综述总结了近年来在植物天然产物生物合成酶发现方面的主要进展，重点关注新兴的催化机制、阐明途径的策略以及进化关系，并强调了它们在合成生物学、代谢工程和有价值天然产物可持续生产中的意义。
引言
在植物天然产物生物合成中发现新酶具有根本性的重要性，因为这些途径是合成生物学中催化创新最丰富的来源之一[1,2]。植物次级代谢产物展现出非凡的结构复杂性和立体化学多样性，这意味着存在能够催化非典型转化的酶，如氧化碳-碳键重排[3, 4, 5, 6]、非典型环加成[7,8]、自由基介导的偶联反应以及迭代骨架重塑[9, 10, 11]，而这些在初级代谢过程中往往没有明确的先例。识别并 mechanistically 分析这些酶不仅扩展了自然界已知的催化库，加深了我们对酶通过新功能化和趋同适应进化的理解，还揭示了植物在生理条件下如何实现显著的化学选择性、区域选择性和立体选择性。历史上，发现植物来源酶依赖于繁琐的传统方法，如同位素标记、基于活性的纯化和单基因克隆。最近，结合基因组学、转录组学、代谢组学和共表达分析的多组学工作流程，以及通过 Nicotiana benthamiana 的瞬时表达或微生物异源重建进行快速功能验证，加速了参与植物天然产物生物合成的酶的发现[12]。因此，对植物来源新酶的研究不仅深化了酶学和进化生物化学的理解，也为合理的代谢工程、高价值代谢产物的可持续生产和下一代生物催化剂的设计奠定了基础[13]。在这篇简短的综述中，将重点介绍最近发现的植物来源酶（尽管不全面），重点关注它们的催化转化、潜在反应机制及其酶学意义。
章节片段
Lei 的团队[14, 15, 16, 17]进行的四项关于 Diels-Alderases（DAases）的研究系统地展示了一种研究路径：从识别酶活性开始，进而深入探讨 Morus alba 中 Diels-Alder 反应的机制、结构和进化特性。他们的研究提供了关于生物合成、酶机制和蛋白质进化的详细分析。
Diels-Alder（D–A）反应是一种 [4 + 2] 环加成反应，涉及到一个共轭二烯和一个...
紫杉醇生物合成中的 P450 酶
P450 酶（CYPs）由于其多功能性，在高价值次级代谢产物的生物合成中起着关键作用[26,27]。植物 CYPs 不仅能催化常规的羟基化反应，还能催化其他多种反应，包括环氧化、氧化偶联、碳-碳键断裂和环的形成[26,28]。因此，植物中丰富的 CYP 酶库可以被视为支撑其独特结构的重要进化基础之一
水杨酸生物合成中的关键酶
水杨酸（SA）是一种重要的植物激素，主要通过两条不同的途径合成：异构香豆素（ICS）途径[34]（示意图 3A）和苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）途径[35]（示意图 3B）。在十字花科植物（包括 Arabidopsis）中，ICS 己被确认为主要合成途径[36,37]。在此途径中，异构香豆素在叶绿体中通过异构香豆素合酶（ICS1）转化为异构香豆素，随后通过 EDS5 进行输出
金鸡纳生物碱生物合成中的关键酶
金鸡纳生物碱（如奎宁）是一类结构多样、含有氮的化合物，主要存在于 Cinchona 植物中[47]。2026 年，人们终于揭示了金鸡纳生物碱的生物合成机制[11]，这标志着天然产物生物合成领域的一项重大进展，解决了长期存在的关于 Cinchona 物种如何构建奎宁、奎尼丁等化合物的特征性喹啉-奎尼克林骨架的问题
2-氧代戊二酸依赖性双加氧酶（2ODDs）
2-氧代戊二酸依赖性双加氧酶（2ODDs）是一类在植物天然产物生物合成中起重要作用的酶[49]。这类酶的特点是依赖 2-氧代戊二酸（α-酮戊二酸）作为辅底物，与分子氧（O2）共同催化多种反应。Hong 实验室[50] 发现的新酶包括来自 Amorpha fruticosa 的 Af2ODD 和来自 Tephrosia 的 Tv2ODD
结论与展望
如表 1 所总结的，这些进展展示了植物天然产物生物合成背后的酶学多样性，强调了不同的酶家族——Diels-Alderases、BBE 类氧化酶、细胞色素 P450 酶、2ODDs、BAHD 酰基转移酶和羧酸酯酶如何催化各种反应，包括环加成、氧化环化、环氧化、重排、羟基化、C-C 甚至 C-Cl 键的形成、酯化和水解等
生成式 AI 使用声明
在手稿撰写过程中没有使用任何 AI 辅助技术。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xiaoguang Lei 报告称获得了北京大学教授 Xiaoguang Lei 的财务支持。Xiaoguang Lei 与北京大学存在雇佣关系。如果还有其他作者，他们声明自己没有任何已知的可能影响所报告工作的财务利益或个人关系
致谢
本工作得到了 国家自然科学基金（项目编号：22193073 和 22550007，资助对象为 X.L.）和 北京生命科学研究院（项目编号：2025900CA0030）的支持；X.L. 还获得了 New Cornerstone Science Foundation 通过 XPLORER PRIZE 以及 New Cornerstone Investigator Program 的资助。
Zheng-Xi Zhang|Han Ke|Jin Wang|Xiaoguang Lei
北京生命科学研究院，中国北京，102200
