上海有機所闡述新穎黃素依賴Diels-Alder[4+2]環加成酶的結構和...

2021-02-08 中國科學院

　　Diels-Alder（D-A）反應是人們所最為熟知的有機人名反應之一，並被廣泛地應用於合成化學、藥物化學、材料化學和化學生物學的研究中。人們基於路易斯酸活化以及氫鍵活化策略設計了不同的小分子催化劑以催化D-A反應，同時還通過分子定向進化的方法篩選得到了能夠催化D-A反應的RNA酶和DNA酶。但是長期以來，人們對於自然界中是否存在天然的能夠催化D-A反應的酶這一問題以及其可能的催化機制，卻一直存在爭議。

　　在前期的研究工作中，中國科學院上海有機化學研究所生命有機國家重點實驗室劉文課題組在國際上發現了吡咯吲哚黴素（pyrroindomycin）的生物合成途徑中涉及兩步絕對酶依賴的D-A反應，分別由PyrE3和PyrI4這兩個酶催化完成（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 17342-17345；Nat. Chem. Biol., 2015, 11, 259-265）；與該實驗室潘李峰課題組合作，報導了首個非輔因子依賴的D-A酶PyrI4及其與小分子產物的複合物晶體結構（Cell Chem. Biol., 2016, 23, 352-360）。基於前期的研究成果，劉文課題組提出了天然D-A酶催化過程中的「過渡態模板作用」；為了實現這一作用，酶與小分子底物相互作用過程中會放出大量能量並發生三維構象的變化，從而提供一個用於穩定D-A反應過渡態的完美反應微環境（Curr. Opin. Chem. Biol., 2016, 31, 95-102）。

　　在該研究中劉文課題組與潘李峰課題組再次合作，解析了黃素FAD依賴的D-A酶PyrE3的晶體結構，這也是國際上首個結構被解析的黃素依賴D-A酶（Cell Chem. Biol., 2018, DOI: 10.1016/j.chembiol.2018.03.007）。基於所獲得的晶體結構，他們綜合使用分子對接模擬、生物信息學分析、胺基酸定點突變、光譜學分析等手段指出了PyrE3的催化空腔和FAD在催化過程中的作用。他們發現，與其他FAD依賴的加氧酶不同，PyrE3在催化反應的過程中並不要求FAD發生氧化態的變化；FAD能夠穩定蛋白的結構，並通過與底物分子形成氫鍵來釋放結合能並穩定其過渡態構象。國際上先後有幾例輔因子（如腺苷甲硫氨酸等）依賴的D-A酶報導，但是這些輔因子在D-A酶催化過程中的作用並不明確。該研究的相關成果為今後人工設計、改造或開發協同反應的生物大分子催化劑（尤其是輔因子依賴的蛋白）提供了重要的實驗基礎和理論方向，可能在未來的合成化學和合成生物學研究中發揮重要的作用。

　　劉文課題組的博士生鄭慶飛（已畢業）和潘李鋒課題組的博士生龔餘康為論文的共同第一作者。上述研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、中科院戰略性先導科技專項（B類）以及生命有機化學國家重點實驗室的大力資助。

 

黃素依賴蛋白Pyr3催化的DA-like[4+2]環加成反應 

　　Diels-Alder（D-A）反應是人們所最為熟知的有機人名反應之一，並被廣泛地應用於合成化學、藥物化學、材料化學和化學生物學的研究中。人們基於路易斯酸活化以及氫鍵活化策略設計了不同的小分子催化劑以催化D-A反應，同時還通過分子定向進化的方法篩選得到了能夠催化D-A反應的RNA酶和DNA酶。但是長期以來，人們對於自然界中是否存在天然的能夠催化D-A反應的酶這一問題以及其可能的催化機制，卻一直存在爭議。
　　在前期的研究工作中，中國科學院上海有機化學研究所生命有機國家重點實驗室劉文課題組在國際上發現了吡咯吲哚黴素（pyrroindomycin）的生物合成途徑中涉及兩步絕對酶依賴的D-A反應，分別由PyrE3和PyrI4這兩個酶催化完成（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 17342-17345；Nat. Chem. Biol., 2015, 11, 259-265）；與該實驗室潘李峰課題組合作，報導了首個非輔因子依賴的D-A酶PyrI4及其與小分子產物的複合物晶體結構（Cell Chem. Biol., 2016, 23, 352-360）。基於前期的研究成果，劉文課題組提出了天然D-A酶催化過程中的「過渡態模板作用」；為了實現這一作用，酶與小分子底物相互作用過程中會放出大量能量並發生三維構象的變化，從而提供一個用於穩定D-A反應過渡態的完美反應微環境（Curr. Opin. Chem. Biol., 2016, 31, 95-102）。
　　在該研究中劉文課題組與潘李峰課題組再次合作，解析了黃素FAD依賴的D-A酶PyrE3的晶體結構，這也是國際上首個結構被解析的黃素依賴D-A酶（Cell Chem. Biol., 2018, DOI: 10.1016/j.chembiol.2018.03.007）。基於所獲得的晶體結構，他們綜合使用分子對接模擬、生物信息學分析、胺基酸定點突變、光譜學分析等手段指出了PyrE3的催化空腔和FAD在催化過程中的作用。他們發現，與其他FAD依賴的加氧酶不同，PyrE3在催化反應的過程中並不要求FAD發生氧化態的變化；FAD能夠穩定蛋白的結構，並通過與底物分子形成氫鍵來釋放結合能並穩定其過渡態構象。國際上先後有幾例輔因子（如腺苷甲硫氨酸等）依賴的D-A酶報導，但是這些輔因子在D-A酶催化過程中的作用並不明確。該研究的相關成果為今後人工設計、改造或開發協同反應的生物大分子催化劑（尤其是輔因子依賴的蛋白）提供了重要的實驗基礎和理論方向，可能在未來的合成化學和合成生物學研究中發揮重要的作用。
　　劉文課題組的博士生鄭慶飛（已畢業）和潘李鋒課題組的博士生龔餘康為論文的共同第一作者。上述研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、中科院戰略性先導科技專項（B類）以及生命有機化學國家重點實驗室的大力資助。
 
黃素依賴蛋白Pyr3催化的DA-like[4+2]環加成反應 

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