三尖杉烷型二萜(Cephalotane-type diterpenoids)仅存在于生长缓慢的三尖杉属(Cephalotaxus)植物中，是一类结构独特且复杂多样、具刚性多环系多手性中心的二萜类化合物，在生源上它们可能均来自于具6/6/5/7环系的共同二萜烯前体。上世纪70年代末发现的海南粗榧内酯(harringtonolide，hainanolide)是其中最具代表性的化合物，具有多种显著生物活性，尤其对人KB细胞的IC₅₀值达43 nM，极具研发前景。但是该类化合物在植物中含量极低，且因其结构复杂导致化学合成困难，来源受限。生物合成可为解决这一难题提供新策略，然而，有关三尖杉烷型二萜生物合成研究未见报道，其二萜烯骨架、二萜合酶及其环化机制仍是谜团。

近日，中国医学科学院北京协和医学院药物研究所戴均贵教授团队在国际著名期刊Angew. Chem. 上在线发表了关于三尖杉烷型二萜生物合成的相关研究成果。该研究首次明确了三尖杉烷型二萜前体为三尖杉烯(1，cephalotene)，发现并功能鉴定了三尖杉烯合酶CsCTS，阐明了其环化机制。

作者从粗榧(C. sinensis)中发现了一个I型二萜合酶能够产生一个主产物1和四个脱轨产物(M1‒M4)，经NMR、化学衍生和X-射线单晶衍射分析确定了主产物1的结构为三尖杉烯，从而鉴定了该酶的功能，命名为三尖杉烯合酶CsCTS (Cephalotaxus sinensis Cephalotene Synthase)。

为阐明CsCTS催化机制，作者鉴定了脱轨产物M1‒M4的结构，发现M1和M2是紫杉二烯合酶TbTS环化中前两步反应的碳正离子脱质子产物，结合生物信息学分析及CsCTS催化特性，提出了三种可能的环化机制(pathways i‒iii)。

进一步经同位素标记实验证明了所提出的环化机制中关键的氢迁移、甲基迁移和环化反应，结合密度泛函理论计算，阐明了CsCTS通过pathway i环化机制催化形成cephalotene。

作者进一步利用分子对接、点突变和分子动力学模拟揭示了CsCTS中负责碳正离子级联反应的两个关键氨基酸残基(W756和F613)，其中W756负责稳定A⁺、F613负责碳正离子B⁺到D⁺的1,2-H-迁移和1,2-甲基迁移。有趣的是，通过序列比对、活性中心结构分析及相互突变，发现突变体CsCTS F613 V/I无三尖杉烯形成活性，但可生成少量的紫杉二烯；而紫杉二烯合酶突变体TbTS V610F无紫杉二烯形成活性，但可生成少量的三尖杉烯。这些结果提示：同源性相近的CsCTS/TbTS可能起源于同一祖先，赋予其前期环化机制的相似性；同时，在演化过程中关键氨基酸残基(F613/V610)的突变导致其环化机制出现分歧，进化出功能分支的二萜合酶，从而形成了种属特异性的代谢产物，显示了自然界中植物-基因/酶-途径-代谢产物之间的演化关联性。

该研究发现并鉴定了三尖杉烷型二萜生物合成第一步反应相关二萜合酶，阐明了其催化机制，为破译和人工构建三尖杉烷型二萜生物合成途径奠定了基础。