对一种双底物O-甲基转移酶的结构研究揭示了其并行合成芍药酚（paeonol）的酶促机制

《Nature Communications》：Structural insights into a dual-substrate O-methyltransferase reveal the enzymatic mechanism of parallel paeonol biosynthesis

　　

摘要

芍药酚（Paeonol）是中药“牡丹皮”中的药用活性成分，但其生物合成途径尚未完全阐明，尤其是其中的后期修饰步骤。具体而言，后期修饰过程包括4′-O-甲基化和2′-羟基化，这两个反应可以依次或同时进行。通过整合转录组学和代谢组学分析，我们在芍药属植物（Paeonia ostii）中鉴定出一种关键的雙底物4′-O-甲基转移酶PoOMT1。体外实验证明，PoOMT1对两种芍药酚前体（4′-羟基乙酰苯酮和2′,4′-二羟基乙酰苯酮）具有高亲和力、优秀的催化效率以及严格的区域选择性。将PoOMT1异源表达到烟草细胞中，或在P. ostii中敲低该基因的表达，进一步证实了其在芍药酚生物合成中的重要作用，这支持了耦合途径的存在。通过对PoOMT1三元复合物的结构分析并结合突变研究，发现His-Asn-Gln三联催化基团对4′-O-甲基化过程至关重要，并揭示了一个T形底物结合位点。该结合位点通过双重锚定和空间限制机制发挥作用，从而实现对4′-OH基团的严格区域选择性，并促进了耦合生物合成途径的进行。此外，十个能够识别相同底物的PoOMT1同源蛋白的催化特性差异进一步验证了所提出的催化机制。我们的研究阐明了芍药酚4′-O-甲基化及其耦合生物合成途径的分子基础，为彻底揭示其整个生物合成途径奠定了基础。