硫原子的引入是自然界賦予天然產(chǎn)物結構多樣性和生物活性多樣性的重要手段。上海有機所劉文課題組長期致力于核糖體肽來源的富硫細菌環(huán)肽的生物合成研究。課題組先后解析了硫鏈絲菌素側環(huán)中的喹納酸（Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, 113, 14318–14323 和 J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 12105–12108）、諾絲七肽側環(huán)中的甲基吲哚酸（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18186-18189 和 Org. Lett. 2019, 21, 1502-1505）、硫霉素結構中的唑雜環(huán)（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8454–8463）和Sch40832 核心環(huán)中二氫咪唑并哌啶（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13790–13797）等非天然氨基酸結構單元形成的酶學過程。
維里硫酰胺類核糖體肽通過抑制線粒體 ATP 合酶的活性，誘導線粒體損傷、引發(fā)細胞凋亡，是潛在的抗腫瘤藥物。家族成員分子以核糖體合成的前體肽為基礎，通過一系列復雜的翻譯后修飾，引入特征性的硫酰胺鍵和 C 末端的烯基硫醚大環(huán)體系。繼2-氨基乙烯基半胱氨酸（2-aminovinyl-cysteine，AviCys）的形成機制解析之后（Cell Chemical Biology. 2021, 28, 675-685），課題組最近報道了維里硫酰胺結構中另一個非天然氨基酸－β-羥基-N,N-二甲基組氨酸（β-hydroxy-N,N-dimethyl-histidine，hdmHis）的生物合成過程。β-羥基-N,N-二甲基組氨酸單元未見于其它天然產(chǎn)物，為維里硫酰胺類核糖體肽所獨有。
課題組結合體內(nèi)基因敲除、大腸桿菌異源表達、體外生化測活和計算分析，詳細闡釋了 β-羥基-N,N-二甲基組氨酸的形成機制和生物合成邏輯。以組氨酸殘基為底物，該單元的形成依賴C 末端烯基硫醚大環(huán)體系的建立，嚴格按照N,N-雙甲化和β-羥基化的催化順序進行。研究還對組氨酸官能團化的特異性和與其它翻譯后修飾反應的兼容性進行了系統(tǒng)考察。
作為一種重要的翻譯后修飾手段，蛋白上組氨酸甲基化的發(fā)現(xiàn)已有50余年，相關的酶學機制、修飾程度和生物學功能近年來受到廣泛關注。目前所知的組氨酸甲基化，均為咪唑基團上兩個氮原子中的一個發(fā)生的N-單甲基化反應。本研究報道了第一例酶催化的組氨酸雙甲基化反應。依賴于酮戊二酸的單加氧酶催化的組氨酸β-羥基化，同樣也是一種十分罕見的翻譯后修飾反應。在一些非核糖體肽來源的天然產(chǎn)物的生物合成途徑中，類似的反應雖有所報導，但多為其它機制的酶所催化。
相關研究加深了核糖體肽來源的天然產(chǎn)物及其相關翻譯后修飾機制方面的認識。上述工作已經(jīng)在J. Am. Chem. Soc.上在線發(fā)表（doi.org/10.1021/jacs.1c11669），論文第一作者為有機所博士生胡玲，該工作得到國家自然科學基金委的資助。
圖 硫酰胺類分子組氨酸官能團化和生物合成邏輯研究
