近日，国际顶级化学期刊Journal of the American Chemical Society在线发表了药物所贾美荣团队题为“The One Ring: A Monocycle Producing Class Ⅱ Diterpene Cyclase from Isodon leucophyllus”（一种来自白叶香茶菜的产单环二萜的Ⅱ型二萜合酶）的研究论文。该研究从药用植物白叶香茶菜（Isodon leucophyllus）中发现并鉴定了首个催化香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）生成单环产物的Ⅱ型二萜环化酶（DTC），改变了长期以来对DTCs仅产生双环产物的认知。

图. IleuTPS野生型及E366D突变体的产物谱及量子化学计算示意图

半日花烷型二萜是一类结构多样、活性显著的天然产物，其生物合成由DTCs通过质子化启动环化反应，生成双环骨架。迄今为止，已报道的DTCs均产生双环产物，如柯巴基焦磷酸（CPP）。然而，自然界中存在大量单环二萜，其是否可由DTCs直接催化生成一直悬而未决。研究团队从白叶香茶菜中成功鉴定出可催化GGPP生成单环(+)-trixagyl-PP（TPP）的DTC，命名为IleuTPS。研究发现，IleuTPS具有非经典E³⁶⁶IDD催化基序，当E366突变为天冬氨酸（D）后，产物谱发生显著改变，产生了多种双环产物及一个重排单环产物（LPP）。同位素标记实验进一步揭示了两种单环产物的环化机制：TPP通过GGPP折叠成前椅式构象、生成单环后直接去质子化生成；LPP的生成则需经历1,2-氢迁移、1,2-甲基迁移和去质子化。量子化学计算和TerDockin模拟结果表明单环产物并非直接从线性到单环，而是先经双环中间体，再通过去质子化伴随开环形成。

进化分析显示，IleuTPS与产生CPP的柯巴基焦磷酸合酶（CPSs）亲缘最近。将白叶香茶菜中CPS的DXDD基序首个D突变为E后，其产物谱从双环CPP部分转变为单环TPP，提示IleuTPS可能由CPS“新功能化”而来。此外，在同属植物冬凌草（I. rubescens）中鉴定到同源酶IrCPS11，其功能与IleuTPS一致，表明单环DTC可能在香茶菜属中广泛存在。上述研究结果为理解单环二萜的生物合成途径提供了重要依据，为该类结构产物的绿色制备奠定了基础。

药物所研究生梅一婷、周佳丽、谢军、张浩彬和加州大学戴维斯分校的Ian S. Torrence为论文共同第一作者。此外，美国爱荷华州立大学Meimei Xu老师、药物所研究生李靖博、梁苗苗及李静一助理研究员也参与了本项研究工作。贾美荣研究员、Reuben J. Peters教授、Dean J. Tantillo教授及Justin B. Siegel教授为论文共同通讯作者。感谢国家自然科学基金项目（22477142）、中国医学科学院基科费（2021-RC350-003）及协和新星人才专项（2025-I2M-XHXX-082）对本项目的资助。感谢北京大学徐正仁教授、药物所许述研究员和李莉研究员为该工作提供的大力支持和帮助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c03321