Insight into neofunctionalization of 2,3‐oxidosqualene cyclases in B,C‐ring‐opened triterpene biosynthesis in quinoa

三萜 立体化学 生物 萜烯 生物合成 生物化学 化学 医学 替代医学 病理
作者
Qian Zhou,Peng Sun,Hao‐Ming Xiong,Jiali Xie,Guo‐Yuan Zhu,Dean J. Tantillo,Ancheng C. Huang
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
卷期号:241 (2): 764-778
标识
DOI:10.1111/nph.19345
摘要

Bioactive triterpenes feature complex fused-ring structures, primarily shaped by the first-committed enzyme, 2,3-oxidosqualene cyclases (OSCs) in plant triterpene biosynthesis. Triterpenes with B,C-ring-opened skeletons are extremely rare with unknown formation mechanisms, harbouring unchartered chemistry and biology. Here, through mining the genome of Chenopodium quinoa followed by functional characterization, we identified a stress-responsive and neofunctionalized OSC capable of generating B,C-ring-opened triterpenes, including camelliol A and B and the novel (-)-quinoxide A as wax components of the specialized epidermal bladder cells, namely the quinoxide synthase (CqQS). Protein structure analysis followed by site-directed mutagenesis identified key variable amino acid sites underlying functional interconversion between pentacyclic β-amyrin synthase (CqbAS1) and B,C-ring-opened triterpene synthase CqQS. Mutation of one key residue (N612K) in even evolutionarily distant Arabidopsis β-amyrin synthase could generate quinoxides, indicating a conserved mechanism for B,C-ring-opened triterpene formation in plants. Quantum computation combined with docking experiments further suggests that conformations of conserved W613 and F413 of CqQS might be key to selectively stabilizing intermediate carbocations towards B,C-ring-opened triterpene formation. Our findings shed light on quinoa triterpene skeletal diversity and mechanisms underlying B,C-ring-opened triterpene biosynthesis, opening avenues towards accessing their chemistry and biology and paving the way for quinoa trait engineering and quality improvement.
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