聽過「環烯醚萜」這個名字嗎？如果你告訴我你沒聽過，這一點也不意外，畢竟這個世界上的化合物太多太多了。不過，用來抗瘧疾的奎寧 (quinine)，在它的合成路徑中，需要先合成環烯醚萜。也就是說，如果金雞納樹無法合成環烯醚萜，奎寧的合成就會有困難。
說它有一個五角環跟一個六角環，可能有的讀者會想到吲哚（indole）。不過，吲哚是芳香性的「五角環 + 六角環」，由色胺酸、色素（如吲哚衍生物）、以及許多生物鹼（serotonin、tryptophan alkaloids）的核心骨架。
環烯醚萜（iridoid）與吲哚（indole）
而環烯醚萜則屬於非芳香性的「五角環 + 六角環」單萜衍生物，形成方式是由單萜中間產物經環化反應，得到雙環骨架。
植物合成環烯醚萜主要的目的是為了防禦。因此，除了大名鼎鼎的奎寧之外，當然還有更多的化合物屬於這個家族。有的具有揮發性，幫助植物吸引或驅逐昆蟲；有的則以糖苷形式存在，讓食草動物吃了「不舒服」。後來人類發現，這些化合物醫藥價值更大：環烯醚萜不僅本身有抗發炎活性，也是多種重要藥用生物鹼的前驅物，除了抗瘧疾的奎寧，還有抗癌的喜樹鹼 (camptothecin)、 、以及用來製造止吐藥吐根鹼（emetine）的原料。
也就是說，了解環烯醚萜的合成路徑，不僅僅是單純的基礎科學問題，更關係到人類如何利用植物化學來生產藥物。
過去的研究早就知道植物如何一步步合成環烯醚萜：從單萜前體 GPP（geranyl diphosphate）出發，經過一連串的轉換，最後由環烯醚萜合成酶（ISY 酶，Iridoid synthase） 生成不穩定的中間產物 8-oxocitronellyl enol。
這個中間產物非常不穩定，雖然會在試管裡會自己「摺起來」變成一個雙環結構 nepetalactol，但其自發性環化效率很低。雖然過去也因此，有些科學家以為，應該不需要額外的酵素，只靠自發反應就可以從8-oxocitronellyl enol到nepetalactol。
後來有人發現，在體外實驗裡，由中間產物形成的nepetalactol，大多都是 7S-cis-trans 型；但是在植物中，還同時存在著 7R-cis-cis 型的nepetalactol。也就是說，自發性的環化反應，即使我們可以忽略效率很低的問題，還是沒有辦法完全解釋在植物中看到的現象。
曾有許多研究團隊曾經試著把已知酵素（GES、G8H、8HGO、ISY）放到模式植物系統裡（例如菸草 Nicotiana benthamiana），卻始終無法完整重建 nepetalactol 的合成。
所有的這些發現都指向，環烯醚萜的合成還少了一個關鍵酵素。
另外，在唇形科的貓薄荷中有一個貓薄荷特有蛋白質（MLPL）能幫助生成 nepetalactol。MLPL（Major Latex Protein-Like） 是一類原本和「乳汁分泌」或「植物防禦」有關的蛋白質家族成員，並不是典型的代謝酶。它透過與 ISY 協同工作，把 8-oxogeranial 還原成非常不穩定的中間產物 8-oxocitronellyl enol。
他們發現，若單靠 ISY，反應效率極低，而且生成的多是錯誤的立體異構物；MLPL 能穩定中間產物，提供疏水環境讓其正確摺疊，並引導碳骨架在酵素活性位中以「正確角度」閉環，生成 7S-cis-trans nepetalactol。
因此，在有 MLPL 時，nepetalactol 生成量明顯上升，且產物立體化學一致。
相對的，若沒有 MLPL，反應不僅慢、產物也雜亂。
MLPL的例子啟發了研究團隊：或許在其他菊類植物，也有專門的酵素參與！
研究團隊以菊類植物土壇樹（ Alangium salviifolium，山茱萸科，Cornales）與吐根（Carapichea ipecacuanha，Gentianales）為材料，使用了單細胞核 RNA 定序 (snRNA-seq)，讓他們能看到在某些特定細胞類型裡，一整組環烯醚萜合成基因會同時被表現出來；從這些基因中，找出特定的候選基因放進菸草，和其他已知的環烯醚萜合成酶一起表現，看看是不是就是那個失落已久的酵素。
會選擇這兩種植物是因為，土壇樹屬於山茱萸目，是菊類（asterids）的基部分支之一。而吐根屬於 Gentianales（龍膽目），是另一個演化上相對遠離的支系。
由於這兩種植物在親緣關係上相距很遠，若在兩者都能找到同樣的基因，就能推論這個基因是整個菊類的祖先特徵，而不是個別族群才有的特殊演化。
另外是，吐根長期作為藥用（例如用於止吐的吐根鹼），它的環烯醚萜路徑活性很強，對這個題目來說是理想的研究材料。土壇樹雖然不是常見的藥用植物，但其基因體與代謝資料相對乾淨，容易建立對照。
結果他們發現其中的一個基因真的能推動反應完成，生成下游的loganic acid。他們把這個基因稱為環烯醚萜環化酶 (ICYC)。有趣的是，ICYC長得不像一般環化酶，反而更像「普通甲酯酶 (MES)」！通常我們在做基因搜尋時，多半是依賴序列相似性；因此過去都是找長得像環化酶的基因來測試，誰也不會想到要測試一個不像的酵素！
找到ICYC 之後，以它的序列進行搜尋後發現：原來在多數菊類植物中都有ICYC的存在，說明這是整個類群的「祖先特徵」。
特別的是，貓薄荷 (Nepeta)居然缺少 ICYC，因此自己演化出另一套獨立的環化機制，可說是一個「趨同演化」的好例子。
這個研究發現讓我想到，之前曾經跟學生提到的：科學是不斷嘗試著去接近真理的過程。但是，可能是因為技術限制，也可能是因為問錯問題，因此科學的發現都是「暫定」的，永遠都有可能被推翻。
過去為什麼找不到ICYC呢？因為過去科學家們只能用「相似性搜尋找出可能的標的基因 →逐一純化酵素或選殖酵素基因 → 加進試管或轉入模式植物 → 看有沒有產物出現」的方法。
但是在這裡，由於中間產物會進行自發性環化，這個「假象」讓人以為已經全員到齊；再加上ICYC長得不像環化酶，誰也不會想到它居然能催化環化反應。
因此，ICYC就這樣保持神秘了好多年。
這個發現提醒我們：
技術會改變我們能問的問題。沒有單細胞定序，我們可能永遠抓不到對的候選基因。
另外，問題如何設定，會影響能不能得到答案。由於過去一直認定ICYC應該要長得像一個「環化酶」（這是合理的假設），使得歷年來各研究團隊都是「過家門而不入」，始終與它失之交臂。
透過新技術的發展、問對問題，我們終於知道環烯醚萜的合成還需要再多一個酵素：環烯醚萜環化酶。
參考文獻：
Colinas, M., Tymen, C., Wood, J.C. et al. Discovery of iridoid cyclase completes the iridoid pathway in asterids. Nat. Plants (2025). https://doi.org/10.1038/s41477-025-02122-6
