Nepetalactones are iridoid monoterpenes with a broad range of biological activities produced by plants in the Nepeta genus. However, none of the genes for nepetalactone biosynthesis have been discovered. Here we report the transcriptomes of two Nepeta species, each with distinctive profiles of nepetalactone stereoisomers. As a starting point for investigation of nepetalactone biosynthesis in Nepeta, these transcriptomes were used to identify candidate genes for iridoid synthase homologs, an enzyme that has been shown to form the core iridoid skeleton in several iridoid producing plant species. Iridoid synthase homologs identified from the transcriptomes were cloned, heterologously expressed, and then assayed with the 8-oxogeranial substrate. These experiments revealed that catalytically active iridoid synthase enzymes are present in Nepeta, though there are unusual mutations in key active site residues. Nevertheless, these enzymes exhibit similar catalytic activity and product profile compared to previously reported iridoid synthases from other plants. Notably, four nepetalactone stereoisomers with differing stereochemistry at the 4α and 7α positions – which are generated during the iridoid synthase reaction – are observed at different ratios in various Nepeta species. This work strongly suggests that the variable stereochemistry at these 4α and 7α positions of nepetalactone diastereomers is established further downstream in the iridoid pathway in Nepeta. Overall, this work provides a gateway into the biosynthesis of nepetalactones in Nepeta.

中文翻译：

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从荆芥属中鉴定环烯醚萜合酶：环烯醚萜环化不能确定荆芥内酯的立体化学

荆芥内酯是环烯醚萜类单萜，具有广泛的生物活性，由荆芥属植物产生。然而，尚未发现荆芥内酯生物合成的基因。在这里，我们报告了两种荆芥属物种的转录组，每种都具有荆芥内酯立体异构体的独特特征。作为研究荆芥中荆芥内酯生物合成的起点，这些转录组用于鉴定环烯醚萜合酶同源物的候选基因，环烯醚萜合酶同源物已被证明可在几种产生环烯醚萜的植物物种中形成核心环烯醚萜骨架。从转录组中鉴定出的环烯醚萜合酶同源物被克隆、异源表达，然后用 8-oxogeranial 底物进行测定。这些实验表明，荆芥中存在催化活性环烯醚萜合酶，尽管关键活性位点残基存在异常突变。然而，与之前报道的其他植物的环烯醚萜合酶相比，这些酶表现出相似的催化活性和产物特征。值得注意的是，在环烯醚萜合酶反应过程中产生的四种荆芥内酯立体异构体在 4α 和 7α 位具有不同的立体化学，在不同的荆芥属物种中以不同的比例观察到。这项工作有力地表明，荆芥内酯非对映异构体的这些 4α 和 7α 位置的可变立体化学是在荆芥环烯醚萜途径的下游进一步建立的。总体而言，这项工作为荆芥中荆芥内酯的生物合成提供了一个途径。与先前报道的其他植物的环烯醚萜合酶相比，这些酶表现出相似的催化活性和产物特征。值得注意的是，在环烯醚萜合酶反应过程中产生的四种荆芥内酯立体异构体在 4α 和 7α 位具有不同的立体化学，在不同的荆芥属物种中以不同的比例观察到。这项工作有力地表明，荆芥内酯非对映异构体的这些 4α 和 7α 位置的可变立体化学是在荆芥环烯醚萜途径的下游进一步建立的。总体而言，这项工作为荆芥中荆芥内酯的生物合成提供了一个途径。与先前报道的其他植物的环烯醚萜合酶相比，这些酶表现出相似的催化活性和产物特征。值得注意的是，在环烯醚萜合酶反应过程中产生的四种荆芥内酯立体异构体在 4α 和 7α 位具有不同的立体化学，在不同的荆芥属物种中以不同的比例观察到。这项工作有力地表明，荆芥内酯非对映异构体的这些 4α 和 7α 位置的可变立体化学是在荆芥环烯醚萜途径的下游进一步建立的。总体而言，这项工作为荆芥中荆芥内酯的生物合成提供了一个途径。在环烯醚萜合酶反应过程中产生的四种荆芥内酯立体异构体在 4α 和 7α 位置具有不同的立体化学，在不同的荆芥属物种中以不同的比例观察到。这项工作有力地表明，荆芥内酯非对映异构体的这些 4α 和 7α 位置的可变立体化学是在荆芥环烯醚萜途径的下游进一步建立的。总体而言，这项工作为荆芥中荆芥内酯的生物合成提供了一个途径。在环烯醚萜合酶反应过程中产生的四种荆芥内酯立体异构体在 4α 和 7α 位置具有不同的立体化学，在不同的荆芥属物种中以不同的比例观察到。这项工作有力地表明，荆芥内酯非对映异构体的这些 4α 和 7α 位置的可变立体化学是在荆芥环烯醚萜途径的下游进一步建立的。总体而言，这项工作为荆芥中荆芥内酯的生物合成提供了一个途径。