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雙功能過氧化氫酶催化氧化環化反應
發布:lee_9124   時間:2019/11/12 0:57:20   閱讀:156 
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氧化環化反應是天然產物生物合成和化學合成中構建分子骨架的重要手段。化學合成中環化成鍵一般涉及手性控制、效率低、環境污染等問題,而酶能在比較溫和的條件下立體選擇性的催化成鍵反應,因此高效催化成鍵成環反應的酶展示出巨大應用潛力,引起了化學家的廣泛興趣。這些酶包括天然產物生物合成過程中的高效特異性催化C-C鍵形成的各種環化酶。近日,中國科學院微生物研究所高書山研究組在煙曲霉(Aspergillus fumigatus)中鑒定了一個全新類型的雙功能過氧化氫酶EasC,該酶不僅可以分解過氧化氫形成水和氧氣,更令人驚訝的是,該酶利用氧氣作為氧化劑,通過氧化脫羧構建新的C-C鍵成環,達到合成麥角生物堿類藥物的藥效團ergoline中間C環的目的(圖1)。
 
 
 
圖1 麥角生物堿藥效團ergoline中間C環生物合成
 
EasC來源于煙曲霉麥角生物堿的生物合成基因簇,它與過氧化氫酶中的小亞基家族(SSC)高度同源,含有與SSC類似的heme和NADPH結合位點。研究者在大腸桿菌中純化得到了可溶性的EasC蛋白,并在體外證明了該酶可以高效催化過氧化氫分解生成氧氣(圖2a)。這些生物信息學證據與生化證據都證明了EasC是一個過氧化氫酶。但是研究者進一步的同源蛋白序列比對發現,相較于傳統的過氧化氫酶,EasC又具有多個不同的保守氨基酸位點;進一步的進化樹分析發現,EasC蛋白處于一個全新的、未表征的獨立分支(圖2b)。這些生物信息分析結果都指向該酶與普通的過氧化氫酶具有不同的功能。由于麥角生物堿生物合成基因簇中其他酶都已經被證實沒有參與C環的生物合成,因此研究者推理EasC除了具有過氧化氫酶活性之外,還能通過催化形成新的C-C鍵來合成C環。體外生化實驗證實了研究者的推論,該酶在空氣中能將化合物1高效轉變為化合物2,高效特異性催化手性C5-C10單鍵的形成(圖3)。然后研究者利用各種生化反應手段,包括反應體系添加或不添加過氧化氫、無氧催化、有氧催化、同位素標記(18O2和H218O)等,在體外發現EasC蛋白是利用氧氣作為氧化劑,而不是過氧化氫,生成酶活性中間體Compound I;Compound I引發了接下來的一系列反應,包括氧化脫酸、C5-C10關環以及最后的羥基化反應(圖3)。加州大學洛杉磯分校的Prof. K. N. Houk課題組利用密度泛函理論計算證明了該反應機制的合理性,例如關鍵的C5-C10鍵形成(圖3: 化合物4→6)是一個低能過渡態反應(ΔG‡ = 6.1 kcal/mol)。這是首例過氧化酶參與的、利用氧氣作為氧化劑,催化新的C-C成鍵與氧化成環反應。
 
 

圖2 EasC過氧化氫酶活性和蛋白聚類分析
 
 
 
圖3 推測EasC的催化機理
 
本篇文章報道的過氧化氫酶代表了一種全新類型的生物催化劑,證明了自然界可以將普通的過氧化氫酶進化成可以催化復雜C-C成鍵與氧化環化反應的單加氧酶。本項目解決了該類藥物研究中半個多世紀以來懸而未決的難題,豐富了催化C-C成鍵與氧化環化反應的生物催化劑類型,證明了過氧化氫酶具有廣泛生物催化開發前景。
 
該研究成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.,助理研究員姚永鵬博士和博士后安春艷博士為論文共同第一作者。該工作受到科技部重點研發計劃、中科院先導專項、自然科學基金委面上和青年項目以及中國科學院青年促進會會員項目的經費支持。
 

來源:x-mol.com
 
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