化學學院雷曉光課題組與合作者在植物天然產物生物合成與酶學研究...

2020/06/03 信息來源： 化學與分子工程學院

編輯：白楊 | 責編：山石

2020年5月25日，北京大學化學與分子工程學院雷曉光課題組與中國醫學科學院藥物研究所戴均貴課題組、中國中醫科學院黃璐琦課題組合作，在Nature Chemistry雜誌上發表以「FAD-dependent enzyme-catalysed intermolecular [4+2] cycloaddition in natural product biosynthesis」為標題的文章，解析了傳統中藥桑白皮中的活性天然產物生物合成關鍵步驟，報導了自然界中存在的首例催化分子間Diels-Alder反應的單功能酶，為多年的重要科學爭論「自然界中是否有真正意義的分子間Diels-Alder反應酶」畫上了句號。

植物天然產物作為內源性小分子參與了自身重要生理活動，例如調控植物自身的生長發育和抵禦病蟲害，同時也是治療人類重大疾病的創新藥物分子的主要來源。因此，解析植物天然產物的生物合成途徑對於植物生物學、生態學研究和開發創新藥物治療人類重大疾病都具有重要意義。然而由於植物自身的特點（生長緩慢、基因組龐大），以及參與生物合成的基因往往不成簇分布的現象，植物天然生物合成研究方法有限，進展緩慢。在本文中，雷曉光課題組開發出一種基於天然生物合成中間體分子探針（Biosynthetic Intermediate Probes，BIPs）的靶標垂釣策略（如圖1所示），並與合作者一起通過結合植物天然產物生物合成研究中的常規手段（活性導向蛋白分離以及轉錄組測序等方法），成功在桑樹愈傷組織中鑑定出兩個FAD依賴蛋白（MaMO和MaDA），其中MaDA被進一步證明為自然界中存在的首個催化分子間Diels-Alder反應的單功能酶。該基於「天然產物生物合成中間體分子探針」的化學生物學研究策略，為解析植物天然產物生物合成途徑提供了新的研究思路。

圖1.桑樹中D-A類型天然產物可能的生物合成途徑以及基於生物合成中間體探針的靶點垂釣

自1928年，德國化學家Otto Diels和他的學生Kurt Alder首次報導了Diels-Alder反應（簡稱DA反應）（Justus Liebigs Ann. Chem.1928,460, 98-122），他們就推測很多天然產物可以通過DA反應來構建，暗示了在自然界可能存在催化該反應的酶——Diels-Alder反應酶（Diels-Alderase）。由於DA反應是合成化學中構建C-C鍵最常用的方法之一，被廣泛應用在天然產物和藥物分子的合成中，因此，Otto Diels和Kurt Alder一起分享了1950年的諾貝爾化學獎。不過到目前為止，科學界發現的Diels-Alderase並不多，以催化分子內DA反應為主，能催化分子間DA反應的酶更是屈指可數，並且這有限幾種分子間Diels-Alderase並不是只催化分子間DA反應，還催化其他化學反應。那麼，自然界中是否存在「真正意義」的分子間DA反應酶？

在成功鑑定出MaDA後，作者進一步探索了其底物適應性，並對該酶促分子間Diels-Alder反應的機理進行了深入探討。作者通過DFT計算證明了該非酶促的Diels-Alder反應是通過協同但不同步的反應機理進行的，隨後通過對該酶促分子間Diels-Alder反應進行KIE實驗，驗證了該酶促反應過程是通過協同但不同步的反應機理進行的，這證明了MaDA是真正意義上的單功能分子間Diels-Alder反應酶。為了進一步探索MaDA的催化機制，雷曉光課題組成功解析了MaDA的晶體結構（2.3 Å），並在此基礎上進行了分子對接以及定點突變實驗。結果顯示，F375、R443、F356、I259以及Y192對於維持MaDA的活性至關重要。同時，作者還發現氧化態的FAD對於MaDA的活性也非常重要，如圖2所示。

圖2.基於MaDA晶體結構的分子對接以及點突變實驗揭示了MaDA與底物形成相互作用的關鍵位點

綜上所述，研究者通過活性導向蛋白分離，基於生物合成中間體探針（BIPs）的靶點垂釣和轉錄組分析相結合的策略成功在桑樹愈傷組織中鑑定了兩個FAD依賴的蛋白——MaMO和MaDA。其中，MaDA為首例催化分子間[4+2]環化反應的單功能酶。作者通過DFT以及KIE實驗證明了該酶促反應為協同但不同步的Diels-Alder反應，因此MaDA是首個從自然界中發現的、催化分子間反應的Diels-Alder反應酶，從而結束了學術界一直存在的「自然界是否有真正意義DA反應酶」的爭論。作者還成功解析了MaDA的晶體結構，並初步闡明了底物和蛋白相互作用的機制。此外，MaDA有很好的底物寬泛性，利用MaDA實現了多種D-A類型天然產物的酶法合成。該酶法合成展現出普通化學方法難以實現的高效性與立體化學專一性，體現了MaDA在生物催化中的優勢和特點，為發展酶催化合成方法來高效製備結構多樣的功能有機分子開闢了新的研究方向。此外，本研究所提出的基於天然產物生物合成中間體分子探針（BIPs）靶點發現的化學生物學研究手段也會為闡明天然產物生物合成途徑、發現新穎的生物合成酶提供新的研究方法與思路。最後，該類藥用植物來源天然產物生物合成途徑的解析也為後繼合成途徑重建，實現植物天然產物的微生物異源生物合成，並開展結構衍生化研究，提升功能活性鋪平了道路。

在本工作中，雷曉光課題組高磊博士、戴均貴課題組蘇聰博士、雷曉光課題組杜曉霞博士以及黃璐琦課題組王瑞杉博士為共同第一作者。雷曉光、戴均貴和黃璐琦為共同通訊作者。北京生命科學研究所的周宇博士和黃牛研究員，以及UCLA的Chen Shuming博士和K. N. Houk教授在計算模擬、DFT計算方面作出了重要貢獻。此外，北京生命科學研究所的陳涉研究員，中國中醫科學院的郭蘭萍研究員，北海道大學的Oikawa教授、Minami副教授和劉成偉助理教授，以及帝京平成大學的Hano教授和Shimazaki教授也在質譜分析、轉錄組分析和酶活測試等方面提供了重要幫助。該工作得到國家自然科學基金、國家科技部重點研究發展計劃、北京市「卓越青年科學家計劃」、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合中心、天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室等多個國家重大科研項目和研究機構的資助。高磊目前得到了北大-清華生命科學聯合中心傑出博士後基金的資助。