碳苷是一类具有重要生物活性的天然产物，也是多种常用中药的药效成分。通过化学合成方法构建C-糖苷键仍然存在一定的挑战。碳糖基转移酶（CGT）是催化形成C-糖苷键的生物合成关键酶，具有绿色、高效、选择性强等特点。然而，由于基因同源性低等原因，目前从植物发现的CGT报道较少，对中药来源植物的研究更少。近期，我室叶敏/乔雪团队为了解析中药活性成分的生物合成途径，在植物碳糖基转移酶及其催化机制研究领域取得了系列进展。
进展一：从金莲花发现首个催化黄酮C-8位糖基化的碳糖基转移酶TcCGT1。牡荆苷、荭草苷等黄酮8-碳苷是清热解毒中药金莲花的主要活性成分。团队通过基因挖掘与功能表征，发现TcCGT1能一步高效催化合成牡荆苷等36种碳苷类化合物，并且解析了第一个植物来源CGT酶的晶体结构（分辨率1.85 Å）。进而初步阐明了TcCGT1催化C-、O-糖基化的分子机制，并通过定点突变实现了由C-糖基化向O-糖基化的功能转变。以上结果作为Hot paper于2019年8月12日正式发表于Angew. Chem. Int. Ed.（2019, 58, 11513-11520）。药学院博士毕业生贺俊斌、基础医学院博士后赵鹏为论文共同第一作者，药学院叶敏教授、乔雪副教授、基础医学院云彩红教授为共同通讯作者。
金莲花碳糖基转移酶TcCGT1的催化功能
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.201905505
进展二：从光果甘草发现新颖的C-6/8双C-糖基转移酶GgCGT。GgCGT能够催化弗洛丙酮单元发生连续两步C-糖基化反应生成双葡萄糖碳苷产物。团队分别解析了GgCGT与根皮素、根皮素单碳苷两种底物，以及与UDP-Glc、UDP-Gal两种糖基供体的复合物晶体结构，这是第一个双C-糖基转移酶的晶体结构。进而阐明了GgCGT糖供体选择性（D390等关键氨基酸与糖基4-OH之间的氢键作用）以及双C-糖基化的机制。以上研究工作于2020年2月19日正式发表在J. Am. Chem. Soc.（2020, 142, 3506-3512）。药学院博士生张梦、中国科学技术大学李福东副教授、药学院博士毕业生李凯为论文共同第一作者，药学院叶敏教授、乔雪副教授、马明研究员为共同通讯作者。
光果甘草双碳糖基转移酶GgCGT的催化机制
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12211
进展三：从黄芩、甘草等七种植物发现CGTa/b酶依次催化合成夏佛塔苷的新途径。夏佛塔苷是普遍存在于高等植物的黄酮双碳苷，具有抗病毒等活性，也是重要的植保素。本研究发现7种植物中夏佛塔苷均由CGTa、CGTb两个碳糖基转移酶依次催化Glc-糖基化、Ara-糖基化而生成，这两个酶具有截然不同的底物与糖供体选择性，并通过RNAi与过表达实验证明了体内功能。进一步通过1163种植物的转录组分析，发现该糖基化途径很可能在高等植物普遍存在。最后，解析了5个酶的晶体结构，发现His24 (SbCGTa)、His23 (SbCGTb)在两步碳糖基化过程中发挥重要的脱质子作用，同时根据活性口袋附近的11个差异氨基酸，设计多位点突变实现了SbCGTb向SbCGTa的功能切换。以上结果于2020年12月1日发表在PNAS（2020, 117, 30816-30823）。药学院博士生王子龙、基础医学院博士生高浩萌为论文的共同第一作者，药学院叶敏教授、乔雪副教授为共同通讯作者，基础医学院云彩红教授指导晶体结构解析。
高等植物普遍存在的两步碳糖基化的夏佛塔苷生物合成途径
原文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/11/12/2012745117
以上研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目、北京市杰出青年科学基金等资助。天然药物及仿生药物国家重点实验室仪器平台李勤、刘芬、王媛、袁霞、王静、王倩、师晓萌、贾红丽等老师在NMR、SPR、氢氘交换质谱、晶体衍射等实验中提供了重要帮助。
【导师简介】
叶敏，北京大学药学院教授，天然药物及仿生药物国家重点实验室课题组长，生药学专业博士生导师。主要研究领域为中药药效物质、天然产物生物合成与生物催化，关注甘草等常用中药及其活性成分的研究。发表SCI论文200余篇，被引用5000余次，获批专利10项。目前担任J. Ethnopharmacol.、J. Pharm. Biomed. Anal.等杂志的副主编或编委，兼任国家药典委员。
乔雪，北京大学药学院副教授，生药学专业博士生导师。北京大学博士，英国约翰英纳斯中心访问学者。入选北京市杰出青年基金、中国科协托举人才计划。研究兴趣为中药活性成分分析及生物合成。在P. Natl. Acad. Sci. USA、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.、Nat. Prod. Rep.等期刊发表第一或通讯作者SCI论文50篇，被引用1500余次。目前担任Fitoterapia 期刊副主编。
（编辑：宋书香）