Structural Insights into Three Bifunctional Sesterterpene Synthases and Product Profile Investigation by Domain Swapping and Active Site Mutation

化学 双功能 磷酸果糖激酶2 立体化学 萜烯 活动站点 酰基转移酶 生物合成 ATP合酶 天然产物 转移酶 二萜 体系结构域 生物化学 催化作用 结构-活动关系 结合位点 非对映体 结构相似性 蛋白质结构 分子模型 水解酶 基质(水族馆) 蛋白质工程 组合化学 萜类 蛋白质数据库 领域(数学分析) 定向进化 同源建模 生物催化 药物发现 化学生物学
作者
Zhenyu Lei,Ruiqing Lyu,W. M. Song,Chenyu Zhang,Lu Bai,Donghui Yang,Ming Ma
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (7): 6981-6991
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17651
摘要

Terpene synthases (TSs) catalyze the formation of diverse hydrocarbon skeletons by using different linear polyisoprenyl diphosphates as the substrates, whose biosyntheses are catalyzed by prenyltransferases (PTs). In nature, some TSs are bifunctional enzymes catalyzing both polyisoprenyl diphosphate formation and subsequent cyclization, containing a C-terminal PT domain and an N-terminal terpene cyclase (TC) domain. To date, several bifunctional PT-TC diterpene synthases and triterpene synthase have been structurally characterized, whereas there have been no structural insights reported for bifunctional PT-TC sesterterpene synthases (StTSs). We here report the cryo-EM structures of three full-length StTSs (EvAS, EvSS, and PbSS), revealing that EvAS and PbSS share a similar PT-driven hexamerization architecture, but EvSS possesses a PT-hexamer stacked helical hollow tubular architecture that has not been observed for other TSs. Domain swapping among the three StTSs shows that not only the production yields but also the major product types of TCs can be greatly affected by different noncovalently linked PTs. The atypical α-helical bundle crystal structure of the TC domain of EvAS was determined, revealing key secondary structures whose positions may affect the cyclization function. Systematic mutations on key residues in the active sites of the TC domains of EvAS and EvSS generated seven new compounds, expanding the structural diversity of sesterterpenes. These results uncover the new structural architecture of bifunctional TSs and expand our understanding of their substrate transfer and catalytic function, and benefit the rational engineering and design of collaborated PT and TC pairs in the generation of terpene molecules.
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