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Structural Insights into Three Sesquiterpene Synthases for the Biosynthesis of Tricyclic Sesquiterpenes and Chemical Space Expansion by Structure-Based Mutagenesis

化学 倍半萜 立体化学 活动站点 分子力学 生物合成 化学空间 化学生物学 生物催化 碳阳离子 突变 催化作用 分子动力学 生物化学 有机化学 计算化学 药物发现 反应机理 突变 基因
作者
Tingting Lou,Annan Li,Houchao Xu,Jingfeng Pan,Baiying Xing,Ruibo Wu,Jeroen S. Dickschat,Donghui Yang,Ming Ma
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (15): 8474-8485 被引量:56
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00278
摘要

The cyclization of farnesyl diphosphate (FPP) into highly strained polycyclic sesquiterpenes is challenging. We here determined the crystal structures of three sesquiterpene synthases (STSs, namely, BcBOT2, DbPROS, and CLM1) catalyzing the biosynthesis of the tricyclic sesquiterpenes presilphiperfolan-8β-ol (1), Δ6-protoilludene (2), and longiborneol (3). All three STS structures contain a substrate mimic, the benzyltriethylammonium cation (BTAC), in their active sites, providing ideal templates for quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) analyses toward their catalytic mechanisms. The QM/MM-based molecular dynamics (MD) simulations revealed the cascade reactions toward the enzyme products, and different key active site residues that play important roles in stabilizing reactive carbocation intermediates along the three pathways. Site-directed mutagenesis experiments confirmed the roles of these key residues and concomitantly resulted in 17 shunt products (4-20). Isotopic labeling experiments addressed the key hydride and methyl migrations toward the main and several shunt products. These combined methods provided deep insights into the catalytic mechanisms of the three STSs and demonstrated how the chemical space of STSs can rationally be expanded, which may facilitate applications in synthetic biology approaches toward pharmaceutical and perfumery agents.
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