近日，中国中医科学院中药资源中心/部局共建道地药材国家重点实验室黄璐琦院士团队在Plant Physiology杂志发表了题为“Diterpene synthases from Leonurus japonicus elucidate epoxy-bridge formation of spiro-labdane diterpenoids”的研究论文，该研究首次鉴定了益母草Leonurus japonicus的萜类合酶基因家族的7个二萜类合酶基因的功能，并通过定点突变研究首次获得特异性合成单一空间构型9,13-epoxy-labda-14-ene的二萜合酶突变体，阐明了双螺环-半日花烷型中9,13-环氧桥的形成。黄璐琦院士、郭娟研究员、崔光红研究员为共同通讯作者，王健博士为第一作者。

二萜类化合物的研究始于1824年，化学家从裸子植物中分离出第一个二萜化合物-树脂酸，经过一百多年的发展，1953年获得第一个二萜化合物的平面结构，1971年发现了第一个具有抗肿瘤活性的二萜化合物-紫杉醇。随着近代新的、更高效的分离及分析手段的开发及应用，迄今已有100多种二萜骨架的数万种二萜类化合物被分离及鉴别。半日花烷型二萜是一类以十氢萘为母核的二环二萜类化合物，许多这一类别的化合物具有较好的生物学活性，如穿心莲内酯、毛喉花素等。结构新颖的天然化合物在天然活性分子的开发及利用中发挥着重要作用，螺环-9,13-epoxy-半日花烷型二萜是一类含有双螺环新颖结构的C9-oxy半日花烷型二萜类化合物，许多这一类型的二萜具有较强的生物学活性。螺环-9,13-epoxy-半日花烷型二萜仅存在于唇形科植物的益母草属Leonorus、蚌萼苏属Otostegia、宽萼苏属 Ballota和欧夏至草属Marrubium等属的植物中。

螺环化合物具有丰富的三维立体结构，比平面（杂）芳香族系统更容易实现配体与蛋白的相互作用，在药物研发中占据非常重要的地位，目前作为核心或附加在分子外围用于活性分子开发，已有多种螺环化合物被开发应用于临床，然而螺环化合物的化学合成因为空间选择性的问题仍然伴随巨大的挑战。益母草螺环-9,13-epoxy-半日花烷型二萜是一类含有两个螺环结构的二萜类化合物，这一类别的化合物prehispanolone等已作为先导化合物用于活性分子的开发及利用。近年，对这一类型的二萜的生物合成研究表明，通常由II型TPSs催化GGPP生成peregrinol diphosphate （PPP），再由I型TPSs催化下生成母核结构9,13R/S-epoxy-labda-14-ene。然而，已鉴定的I型 TPSs催化生成的9,13-epoxy-labda-14-ene均为C13空间异构体的混合物，这阻碍了对单一构型的螺环-9,13-epoxy-半日花烷型二萜生物合成解析及微生物异源合成的研究。

课题组通过对益母草转录组中的7个二萜合成酶（diTPSs）进行系统功能表征，发现LjTPS3具有特异性的合成C9-oxy半日花烷型二萜生物合成前体PPP的催化活性，同时获得一个具有合成9,13-epoxy-labda-14-ene催化活性的I类二萜合酶LjTPS6，与其他植物中发现的I型TPSs相似，LjTPS6催化PPP生成产物是多种化合物的混合物，其中包括两种空间构型的9,13-epoxy-labda-14-ene。为此，课题通过合成生物学手段对LjTPS6进行分析，筛选得到LjTPS6的一个关键的氨基酸位点I420，通过这一个位点的突变改变了LjTPS6的催化活性，使得LjTPS6催化产物由多化合物混合物转变成特异性合成9,13S-epoxy-labda-14-ene单一产物。课题组还通过定点饱和突变获得了更高效的催化PPP合成9,13S-epoxy-labda-14-ene的LjTPS6:I420G突变体。该研究解决了9,13-epoxy-labda-14-ene合成C13空间选择性困难这一问题，阐明了双螺环-半日花烷型中9,13-环氧桥的形成，为螺环-9,13S-epoxy-半日花烷型二萜生物合成途径解析及微生物异源合成奠定基础。