近日，我所生物技术研究部天然产物及糖工程研究组（1805组）尹恒研究员团队在天然产物合成生物学研究中取得新进展，解析了甜叶菊中负责莱鲍迪苷（Rebaudioside）D（Reb D）向莱鲍迪苷M（Reb M）转化的关键糖基转移酶UGT76G4，揭示了该酶底物区域选择性的分子机制，并基于此通过半理性设计改造，获得了多个可用于高效合成Reb M的工具酶。
糖是日常生活中常见的食品成分，但过量摄入会影响健康。甜菊糖苷是从甜叶菊中提取的一类天然甜味剂，其甜度高、热量低，被广泛用作蔗糖替代品。其中，Reb M因其高甜度及良好口感，被视为新一代高价值甜菊糖苷产品，但其在甜叶菊中含量极低，亟需开发高效合成的方法以满足市场需求。
此前，Reb M合成途径中的关键步骤——Reb D到Reb M转化关键酶尚未明确，普遍推测由UGT76G1催化完成。然而，UGT76G1对甜菊糖苷底物的C13位表现出明显的区域选择性，其C19位的催化活性极低。针对这一问题，尹恒团队前期通过对5个甜叶菊品种（其中包括3个高产Reb M的品种）开展比较转录组分析，发现UGT76G家族其他基因与甜叶菊中Reb M合成密切相关（Plant Physiology and Biochemistry，2021）。
在本研究中，尹恒团队从高产Reb M的甜叶菊品种中鉴定并表征了UGT76G1的一个天然突变体酶——UGT76G4，该酶在体内和体外实验中均表现出对甜菊糖苷C19位的区域选择性，被证实是甜叶菊中催化Reb D到Reb M生物合成的关键酶。进一步，团队通过定点/饱和突变、X射线晶体学、分子动力学（MD）模拟等方法，系统阐明了UGT76G4的底物区域选择性的分子机制，明确了G200在决定UGT76G4的C19区域选择性中的关键作用。基于该机制，团队对UGT76G4实施蛋白质工程改造，获得多个能够高效以Reb E和Reb D为底物合成Reb M的突变酶。
相关研究成果以“Characterization of SrUGT76G4 reveals a key residue for regioselectivity and efficient Reb M synthesis”为题，于近日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。该工作的共同第一作者是我所1805组已毕业博士王宇和李唐副研究员，山东省天然产物代谢工程与合成生物学工程研究中心科研人员也参与了本项目研究。该工作相关成果已获专利授权并实现成果转化。（文/李唐 图/王宇、李唐）
