Glycosylated cannabinoids in Cannabis sativa and enzyme design to modulate their synthesis

糖基化 酶 大麻素 生物化学 突变体 焊剂(冶金) 化学 内大麻素系统 异源的 生物合成 代谢途径 阿那达胺 大麻素受体 底物特异性 计算生物学 药物发现 大麻酚 合理设计 基质(水族馆) 化学合成 合成大麻素 聚糖 突变 N-连接糖基化 结构-活动关系 活动站点 铅化合物 异源表达 生物
作者
Zoe Pinkas,Olga Khersonsky,Paula Berman,Nikolay Kuzmich,Ilana Rogachev,Sarel J. Fleishman,Asaph Aharoni
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (39): e2515688122-e2515688122 被引量:3
标识
DOI:10.1073/pnas.2515688122
摘要

Despite extensive study of its chemical composition and long history of medicinal use, the occurrence of glycosylated cannabinoid derivatives in Cannabis sativa has not been documented to date. Here, we identified glycosylated cannabinoids and their common intermediate olivetolic acid (OA) in various C. sativa tissues and cultivars. We moreover identified four UDP-glycosyltransferases (UGTs) from C. sativa with OA glycosylating activity. Enhancing the water solubility of cannabinoids through glycosylation holds potential for pharmaceutical development and cosmetic applications. However, glycosylation of pathway intermediates such as OA may divert metabolic flux away from cannabinoid production, complicating efforts to engineer glycosylated forms. To resolve this, we applied FuncLib design to an AlphaFold-predicted structure of one of the identified enzymes CsUGT14, generating active-site variants. Through functional screening, we identified mutants that display increased specificity toward cannabinoid end products over the OA intermediate. Moreover, we recognized a single point mutation that dictates OA positioning within the active site, thereby altering isomer formation. These findings expand the known repertoire of natural cannabinoids and provide a rare example of crystallography-free enzyme design to improve stability, substrate selectivity, and isomer specificity. Furthermore, this work lays the foundation for the tailored biosynthesis of soluble glycosylated cannabinoids in heterologous systems.
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