五环三萜化合物广泛分布于高等植物，具有广泛的生物学活性。氧化鲨烯环化酶催化线性底物2,3-氧化鲨烯生成多种骨架结构是五环三萜骨架多样性的关键步骤。2004年，人源氧化鲨烯环化酶的结构报道阐明形成四环产物羊毛甾醇的催化机制。然而相较于四环三萜，五环三萜的形成涉及进一步的环化和重排步骤，至今没有植物来源的五环三萜合酶结构被报道，其催化机制也尚未阐明。

近日，首都医科大学童宇茹副教授、中国科学院生物物理研究所马小丽项目副研究员联合中山大学巫瑞波教授和中国中医科学院黄璐琦院士团队，首次解析了来源于雷公藤的植物三萜合酶的冷冻电镜结构，提出三萜合酶催化过程中碳正离子发生“折返跑”，并基于分子动力学模拟、量子化学计算和功能试验揭示了其详细的催化机制。此外，该研究结合基于进化的突变筛选获得了高效的突变体，可以在定向生成目标产物的同时，并显著提高产物产量。此项研究的发现，为相关萜类合酶的理性设计提供了新的理论依据，对深入了解三萜环化酶的功能以及开发相关化合物具有重要的意义。

TwOSC呈四聚体结构，相较于人源氧化鲨烯环化酶，其N端结构更为清晰。TwOSC催化产生木栓酮以及两个副产物alpha-香树脂和beta-香树脂。在催化过程中，线性底物经过质子化后，碳正离子从C-2位置移动到骨架的另一侧形成lupyl阳离子，然后通过九步的重排反应返回C-3位置进行去质子化，最终形成木栓酮。这一过程被称为碳正离子折返跑机制（Cation Shuttle-Run mechanism）。依据此机制，还可以提前去质子化形成其它五环三萜骨架，因此阐明CSR机制对于了解五环三萜的形成过程具有重要意义。

通过QM/MM模拟发现，TwOSC在催化过程中经历了多个连续的吸热步骤（从中间体C到J），并利用静电匹配调控的能量缓释机制来推动已知最复杂的三萜碳骨架重排步骤，从而完成了CSR机制。同时，研究还揭示了TwOSC中关键的氨基酸残基对CSR机制的调控作用，并阐明了其调控机制。

最后，通过基于进化的突变研究，结合调控产物类型的关键氨基酸位点设计，成功获得了高产木栓酮和beta-香树脂的突变体，其产量相较于野生型分别提高了5倍和217倍。该工作为五环三萜化合物的结构改造提供了新的见解。