图1. 含有苯并呋喃结构的天然产物与药物分子。
2026年6月17日，北京大学化学与分子工程学院雷晓光团队与武汉大学药学院高磊团队合作，在国际知名学术期刊Science Advances 上发表研究论文，首次完整解析了白桑（Morus alba）中代表性苯并呋喃化合物moracin M的生物合成途径，并利用无标记热蛋白质组学技术（TPP）鉴定出一种非典型漆酶MaLAC，该酶催化了从氧化白藜芦醇到moracin M的独特分子内氧化环化反应，这是植物漆酶首次被报道具有此类催化功能。
图2. 文章截图
在实验室的前期研究中，雷晓光课题组围绕苯并呋喃类型D-A加合物的生物合成开展了系统性研究，揭示了桑科植物中多个酶催化分子间Diels-Alder反应及氧化反应的机制（Nat. Chem. 2020, 12, 620; Nat. Catal. 2021, 4, 1059; Nat. Commun. 2024, 15, 2492；Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2025, 122, e2504346122; Acc. Chem. Res. 2024, 57, 2166），从而阐明了桑科植物中苯并呋喃类型天然产物后期修饰的分子机制，然而该家族天然产物前期的生物合成过程尚不清晰，特别是其苯并呋喃环母核结构如何构建仍不得而知，这严重阻碍了苯并呋喃类天然产物的合成生物学研究。在本研究中，作者通过无标记热蛋白质组学技术并结合转录组分析成功解析了苯并呋喃类型天然产物moracin M的生物合成途径，并实现了其在烟草中的异源合成，为该家族天然产物的绿色生物制造奠定了基础。
首先，作者通过系统发育分析和转录组学方法，从桑树中鉴定出负责对香豆酰辅酶A（p-coumaroyl CoA）邻位羟化的酶MaC2′H1，以及三个功能冗余的芪合酶MaORS1、MaORS2和MaORS3（图3）。体外酶活实验表明，MaC2′H1将对香豆酰辅酶A转化为2,4-二羟基肉桂酰辅酶A（2,4-dihydroxycinnamonyl CoA），MaORS1-3则可利用该中间体生成氧化白藜芦醇（oxyresveratrol），同时也能催化对香豆酰辅酶A生成白藜芦醇（resveratrol）。
图3. MaC2′H1和MaORS1-3的鉴定与功能表征。
为鉴定催化氧化白藜芦醇发生分子内氧化环化生成moracin M的酶，作者建立了基于热蛋白质组谱分析的策略。该方法利用酶与底物或产物结合后热稳定性发生变化的原理，无需对底物进行化学衍生化。经活性引导的蛋白纯化富集后，TPP实验从桑树裂解液中定量检测了1061种蛋白质，结果显示仅一种被注释为漆酶的蛋白XP_024020441.1（命名为MaLAC）在底物处理下表现出显著的热位移。漆酶抑制剂处理可大幅降低体内外反应中moracin M的生成量，证实MaLAC是该环化反应的主要酶。
随后，作者在毕赤酵母中异源表达了MaLAC并纯化获得高糖基化的活性酶。ICP-MS表明其结合铜离子，最适反应温度为30 °C，最适pH为6.5。以氧化白藜芦醇为底物，MaLAC的表观KM值为1.96 ± 0.25 μM，kcat/KM值为0.0061 ± 0.00094 μM⁻¹ min⁻¹。作者接着利用农杆菌介导的瞬时表达系统，在本氏烟草中共表达At4CL、MaC2′H1、MaORS1和MaLAC，以对香豆酸（p-coumaric acid）为起始底物成功检测到moracin M的生成，证实上述四个基因足以在异源体系中实现从简单苯丙酸类化合物到苯并呋喃产物的完整生物合成（图4）。
图4. moracin M生物合成漆酶MaLAC的鉴定与表征。
最后，作者探究了MaLAC的催化机制。密度泛函理论计算表明，反应经由T1铜位点介导的自由基机制：底物被氧化并脱质子生成自由基中间体，随后发生分子内环化，再经第二次单电子氧化形成苯并呋喃骨架。结构-活性关系（SAR）研究表明，底物A环上的两个羟基对活性不可或缺，B环的电子云密度也影响催化效率。通过同源建模、分子对接及定点突变，作者鉴定出I344、V442、L445和R162等关键氨基酸残基，它们通过疏水相互作用和阳离子-π相互作用稳定底物结合（图5）。
图5. MaLAC催化机制的DFT计算、SAR、分子对接及点突变研究。
小结
该研究首次完整描述了moracin M的生物合成途径，填补了苯并呋喃类天然产物生物合成的关键空白，为后期该类天然产物的绿色生物制造奠定了基础。所建立的无标记热蛋白质组学策略为植物天然产物生物合成酶的发现提供了新工具，尤其适用于缺乏同源参考的功能独特酶。MaLAC作为第一例催化分子内氧化环化反应的植物漆酶，拓展了对漆酶家族功能多样性的认知，并可作为生物催化剂用于合成其他苯并呋喃类化合物。
北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心雷晓光教授和武汉大学药学院高磊教授为论文的共同通讯作者，北京大学雷晓光教授课题组已毕业博士生于欣水博士和博士研究生郭念昕为本文的共同第一作者，高磊教授课题组龙腾、雷晓光教授课题组朱裕玲、柯瀚以及丁琪也参与了相关研究工作。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Characterization of the biosynthetic enzymes of the Morus alba benzofuran natural products
Xinshui Yu†, Nianxin Guo†, Teng Long, Yuling Zhu, Han Ke, Qi Ding, Lei Gao*, Xiaoguang Lei*
Sci. Adv., 2026, DOI: 10.1126/sciadv.aec4824
研究团队简介
雷晓光教授团队长期深耕于天然产物化学生物学、生物合成/生物催化、以及新药开发等研究方向，近5年来取得了一系列标志性科研成果（Cell 2026a, Cell 2026b, Nature 2026, Science 2026, Nature 2025, Science 2025, Cell 2024, Science 2024a, 2024b, Science 2023）。在天然产物的生物合成与生物制造方向，前期合作研究发现了另外一类抗癌明星药物紫杉醇生物合成通路中的关键催化反应酶，并且首次实现了紫杉醇核心前体巴卡亭III在烟草中的异源合成（Science 2024, 383, 622）；首次阐明了蝗虫聚焦信息素的完整生物合成通路，并且开发出精准有效的化学调控手段，为蝗灾的有效防控提供了新的思路（Nature 2025, 644, 420）；近期该团队的合作研究还首次阐明了对植物具有广谱抗病效果的天然产物德布尼醇的完整生物合成通路并且实现了异源重构（Cell 2026, doi.org/10.1016/j.cell.2026.04.021）；并且首次破解了两类三尖杉抗癌活性生物碱的完整生物合成通路，并实现了异源重构（Cell 2026, doi.org/10.1016/j.cell.2026.06.007）。
雷晓光团队长期招聘对全合成、生物合成、生物催化、化学生物学等研究方向感兴趣的博士后。应聘者可以与雷老师联系（xglei@pku.edu.cn）。
https://www.x-mol.com/groups/leigroup
