雙酶體系催化形成天然產物中環丙基結構單元研究取得進展

2020-12-17 中國科學院

　　非活化碳碳雙鍵的環丙基化儘管在化學合成中可以通過多種方法來實現，但是該過程在天然產物的生物合成中卻鮮有報導。近期，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研究員唐功利課題組在天然產物CC-1065生物合成研究過程中，報導了由一個HemN家族蛋白（C10P）和一個甲基轉移酶（C10Q）組成的雙酶體系共同催化形成CC-1065中的環丙基結構。相關成果近期發表在《自然-通訊》上（Nat Commun., 2018, 9, 2771）。

　　CC-1065家族化合物是一類來源於微生物、含有環丙基藥效團的高活性天然產物，目前包括CC-1065、谷田黴素（YTM）和多卡黴素。它們都屬於螺環丙基環己二烯酮類天然產物，通過對細胞內的遺傳物質DNA進行不可逆的烷基化修飾以達到殺死細胞的目的（IC50為pM級），因此，這類化合物在抗體偶聯的靶向治療研究中受到了廣泛的關注。

　　在前期的研究中，唐功利團隊報導了CC-1065的生物合成基因簇（ACS Chem. Biol., 2017, 12, 1603），並且發現GyrI-like家族的一個亞家族蛋白具有水解CC-1065和YTM環丙基的特性，這類蛋白能夠賦予微生物對CC-1065和YTM的抗性（Nat. Commun., 2017, 8, 1485）。在此基礎上，該團隊初步揭示了CC-1065家族化合物中環丙基形成的酶學機制。

　　首先，通過基因敲除發現c10P和c10Q都是CC-1065環丙基生物合成所必需的，並且這兩個基因的突變株都能積累同一個環丙基缺失的中間體。隨後以該中間體為底物，由重構的C10P和C10Q組成的雙酶體系在嚴格無氧的條件下能夠實現該中間體的環丙基化，從而生成CC-1065。為了探討環丙基化的催化機理，該團隊還開展了關鍵中間體的質譜檢測、CD3-SAM（腺苷化甲硫氨酸）和D2O同位素標記實驗以及關鍵胺基酸殘基的點突變研究。其中，檢測到SAM-底物共價中間體使作者推測了S-腺苷甲硫氨酸亞甲基自由基這一新穎物種的存在，並提出了該雙酶體系共同催化CC-1065環丙基形成的生物合成過程。這種新型環丙基化機制的揭示不僅拓展了對HemN家族蛋白和甲基轉移酶所催化反應的認識，而且暗示著S-腺苷甲硫氨酸可以產生不同的自由基化學。

　　上述研究成果主要由唐功利課題組的博士生金文兵、博士吳晟、副研究員袁華等人完成。這一工作得到了國家自然科學基金委、上海市科委和中科院戰略性先導科技專項（B類）等的大力資助。

 

HemN家族蛋白C10P和甲基轉移酶C10Q雙酶體系共同催化形成CC-1065中的環丙基單元 

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