Catalytic innovation underlies independent recruitment of polyketide synthases in cocaine and hyoscyamine biosynthesis

莨菪碱 聚酮 生物合成 生物化学 生物 计算生物学 化学 基因 茄科
作者
Tian Tian,Yongjiang Wang,Jianping Huang,Jie Li,Bingyan Xu,Yin Chen,Li Wang,Jing Yang,Yijun Yan,Sheng‐Xiong Huang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1): 4994-4994 被引量:21
标识
DOI:10.1038/s41467-022-32776-1
摘要

Tropane alkaloids such as hyoscyamine and cocaine are of importance in medicinal uses. Only recently has the hyoscyamine biosynthetic machinery become complete. However, the cocaine biosynthesis pathway remains only partially elucidated. Here we characterize polyketide synthases required for generating 3-oxo-glutaric acid from malonyl-CoA in cocaine biosynthetic route. Structural analysis shows that these two polyketide synthases adopt distinctly different active site architecture to catalyze the same reaction as pyrrolidine ketide synthase in hyoscyamine biosynthesis, revealing an unusual parallel/convergent evolution of biochemical function in homologous enzymes. Further phylogenetic analysis suggests lineage-specific acquisition of polyketide synthases required for tropane alkaloid biosynthesis in Erythroxylaceae and Solanaceae species, respectively. Overall, our work elucidates not only a key unknown step in cocaine biosynthesis pathway but also, more importantly, structural and biochemical basis for independent recruitment of polyketide synthases in tropane alkaloid biosynthesis, thus broadening the understanding of conservation and innovation of biosynthetic catalysts.
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