Mechanism-Driven Enzyme Reshaping: A Catalytic Switch Dictates Product Specificity in Sesquiterpene Synthases

ATP合酶 化学 立体化学 萜烯 生物化学 倍半萜 生物合成 酶 活动站点 焦磷酸酶 同源建模 天然产物 催化作用 磷酸果糖激酶2 产物抑制 突变体 酶催化 萜类 碳阳离子 猝灭(荧光) 定点突变 催化循环
作者
Bing Li,Guili Zhang,Y H Jian,Jiaqi Jiao,Chenxu Liu,Jincai Liang,Zhongqiu Liu,Feng Wang,Lixin Duan,Fan Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (19): 19637-19647
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c06412
摘要

Abstract Sesquiterpene synthases generate diverse terpenoid skeletons through carbocation-driven cyclization cascades. Here, we performed a comparative mechanistic study of Artemisia argyisesquiterpene synthase (AaCPS) and Zingiber zerumbet synthase 1 (ZSS1), which exhibit reversed major-product profiles. GC–MS analysis showed that AaCPS predominantly produces β-caryophyllene, whereas ZSS1 mainly generates α-humulene. QM/MM simulations revealed that this product divergence originates from distinct terminal deprotonation pathways. In ZSS1, Cys441 facilitates the dominant proton-transfer process by shaping the local catalytic environment, while PPi primarily contributes to the minor-product pathway. Conversely, AaCPS relies mainly on PPi-mediated deprotonation, which is associated with minor-product formation. Mutagenesis experiments further demonstrated that substitutions at this key position significantly altered product distributions and reduced catalytic efficiency, with C441A and A440C mutations nearly reversing the product profiles. Structural analysis suggests that this conserved active-site locus represents a critical determinant of carbocation quenching and product selectivity across sesquiterpene synthases. These findings reveal how residue–PPi interactions regulate catalytic fidelity and promiscuity, providing mechanistic insights into terpene synthase evolution and engineering. Structural and sequence analyses identify this conserved locus as a key regulator of carbocation quenching and product selectivity. These findings reveal how residue–PPi interactions shape terpene synthase fidelity and promiscuity.
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