
上海有機所揭示首例催化Alder-ene反應的酶及其周環(huán)選擇性分子機制
中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室周佳海課題組和美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)唐奕課題組與Kendall N. Houk課題組合作,首次表征了自然界中催化Alder-ene反應的酶及其催化氧雜Diels-Alder(DA)反應的同源蛋白,解析了這兩類酶及其復合物的高分辨率晶體結構,基于結構信息和計算指導通過定點突變實現(xiàn)了周環(huán)選擇性的逆轉(zhuǎn),闡明了兩類酶如何利用幾乎相同的活性位點實現(xiàn)周環(huán)選擇性的精準控制。該工作發(fā)表在《自然》(Nature 2020, 586, 64.)上,唐奕課題組的Masao Ohashi博士、博士研究生 Cooper S. Jamieson和周佳海課題組的博士研究生蔡毓娟并列論文第一作者。
周環(huán)反應是指具有環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同反應,這類反應在天然產(chǎn)物合成中常常被應用于高效構建多個碳碳鍵,而且具有較好的立體選擇性和區(qū)位選擇性。自2011年美國德克薩斯大學Austin分校的劉鴻文課題組首次鑒定出能夠催化DA反應的周環(huán)酶SpnF后(Nature 2011, 473, 109.),科學家先后從多種天然產(chǎn)物的生物合成途徑中鑒定出了不同的新型周環(huán)反應酶(Nat. Prod. Rep. 2019, 36, 698.)。2019年,周佳海課題組與唐奕課題組合作,系統(tǒng)地闡釋了多功能周環(huán)酶LepI立體選擇性脫水與催化雜DA反應、逆Claisen重排反應的分子機制(Nat. Chem. 2019, 11, 812.)。
唐奕課題組以LepI為基礎,從真菌天然產(chǎn)物生物合成途徑中鑒定出6個具有很高序列相似度的O-甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白PdxI、AdxI、ModxI、EpiI、UpiI及HpiI。通過體外酶學發(fā)現(xiàn)并驗證PdxI、AdxI、ModxI催化Alder-ene反應,而EpiI、UpiI、HpiI催化氧雜DA反應。周佳海課題組解析了Alder-ene反應酶PdxI以及氧雜DA反應酶HpiI的apo晶體結構,同時也得到了這兩個酶與底物類似物以及產(chǎn)物的共晶結構。在此基礎上,Houk課題組對Alder-ene反應酶PdxI催化體系進行了DFT理論計算、分子對接以及動力學模擬,揭示了PdxI/AdxI/ModxI、EpiI/UpiI/HpiI這兩組同源性的周環(huán)酶因為進化上的細微分歧導致了不同周環(huán)選擇性的分子機制。該工作不僅加深了對周環(huán)反應酶催化機制的理解,也為探索Alder-ene反應和雜DA反應的新型生物催化劑提供了新的啟示。

圖1 吡啶酮類天然產(chǎn)物pyridoxatin及其類似物的部分生物合成途徑
該工作得到了自然科學基金委重大研究計劃重點項目和上海市優(yōu)秀學術帶頭人項目、上海市國際合作項目的資助,晶體衍射數(shù)據(jù)是在上海光源BL17U1和國家蛋白質(zhì)設施BL18U1 、BL19U1處收集。
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