今天給大家分享的是在最近JACS上發(fā)表的文章，題為：A Polyketide Cyclase That Forms Medium-Ring Lactones。該工作的通訊作者是來(lái)自上海有機(jī)化學(xué)研究所的周佳海教授以及、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的Kendall N. Houk教授和唐奕教授。
在有生物活性的天然分子中，包括不同尺寸的內(nèi)酯化合物。與小環(huán)和大環(huán)的內(nèi)酯相比，中環(huán)內(nèi)酯（8-11）的合成更有挑戰(zhàn)性。據(jù)估計(jì)，中等大小環(huán)的分子內(nèi)酯化反應(yīng)比五元內(nèi)酯慢了近6個(gè)數(shù)量級(jí)?；罨艿募眲≡黾邮怯伸睾挽使餐鸬模捎诳绛h(huán)效力引起的焓增占主導(dǎo)作用。在生物催化方面，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可以催化生成小環(huán)內(nèi)酯以及大環(huán)內(nèi)酯的酶，其中最重要的是生成12元和14元內(nèi)酯苦霉素(Pik)和紅霉素(DEBS)的硫酯酶(TE)。然而，目前還沒(méi)有一種天然酶能夠催化形成9元或10元的內(nèi)酯。因此，發(fā)現(xiàn)并鑒定能夠催化這種反應(yīng)的酶至關(guān)重要。
圖1.(A)有十元內(nèi)酯的化合物；(B)由十元內(nèi)酯衍生的化合物。
作者首先專注于由絲狀真菌生物合成的壬內(nèi)酯。圖1中的內(nèi)酯1對(duì)膽固醇的合成具有抑制作用，還可以作為某些化合物的合成前體。作者首先對(duì)合成內(nèi)酯1的真菌進(jìn)行了全基因組掃描，尋找能夠合成內(nèi)酯1的生物合成基因簇(BGC)。最終確定了一個(gè)BGC，由聚酮合成酶(HRPKS，DcsA)、TE(DcsB)、P450(DcsC)、短鏈脫氫/還原酶(SDR，DcsD)和黃素依賴性單加氧酶(FMO，DcsE)五部分組成。
將五部分Dcs酶異源表達(dá)，來(lái)確定它們的功能性。結(jié)果顯示，只有DcsA和DcsB就足以合成壬內(nèi)酯化合物。隨后作者合成了一系列硫酯化合物(不同取代的4a)，模擬了DcsA連接的結(jié)構(gòu)，再用重組的DcsB進(jìn)行環(huán)化反應(yīng)，其中疏水性的?；蝓サ沫h(huán)化效率更高。與其他TE的序列比較顯示，DcsB也是以公認(rèn)的催化三聯(lián)體的機(jī)制進(jìn)行催化：S114、H276和D247。
圖2. 探究DcsB的底物普適性(A)不同取代基的類似物4b-4e；(B)不同環(huán)大小的羥基底物4f-4l。
為了探究底物的取代基對(duì)DcsB催化的影響，作者對(duì)圖2中的4a-4e進(jìn)行了環(huán)化反應(yīng)，結(jié)果顯示雙鍵以及取代基都不影響催化。然而，DcsB未能將含有差向異構(gòu)的親核醇的底物4e內(nèi)酯化為2e，這表明在內(nèi)酯化反應(yīng)中攻擊Ser114結(jié)合的?；溞枰H核試劑的正確空間取向。而對(duì)于不同長(zhǎng)度的線性底物，都可以使用DcsB環(huán)化，產(chǎn)率為49 %至82 %。綜上所述，DcsB具有廣泛的底物范圍，是用于構(gòu)建各種環(huán)大小的內(nèi)酯的生物催化劑。
圖3. DcsB單體的卡通模型。
作者通過(guò)在1.56?分辨率下的單一反常衍射確定了DcsB的晶體結(jié)構(gòu)(如圖3)。DcsB以同源二聚體的形式存在于不對(duì)稱單元中。催化三聯(lián)體位于核心結(jié)構(gòu)域的環(huán)中，并采用與其他TE相同的相對(duì)構(gòu)象。從與底物的晶體結(jié)構(gòu)以及理論計(jì)算中，作者發(fā)現(xiàn)與DcsB形成?；虚g體的化合物更容易被環(huán)化，此外烯烴和烯丙醇不會(huì)與附近的殘基形成任何穩(wěn)定的相互作用，這與催化反應(yīng)不需要這些取代基的事實(shí)是一致的。
最后，作者認(rèn)為，廣泛的底物范圍應(yīng)歸因于活性部位的性質(zhì)。底物的一端與S114結(jié)合，另一端與F40和F115的主鏈酰胺形成氫鍵，這可以抵消熵和焓對(duì)環(huán)化的阻礙。而蛋氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸可以組成一個(gè)大的非極性腔，容納烷基鏈。共價(jià)作用、氫鍵以及疏水作用促進(jìn)了底物的普適性。
綜上所述，作者首先從生物合成途徑中鑒定得到了硫酯酶DcsB，能夠催化合成化學(xué)上難以制備的中環(huán)內(nèi)酯，并具有廣泛的底物普適性。DcsB不僅增加了用于生物合成的硫酯酶的種類，也有望制備更多的內(nèi)酯化合物。
作者：LJH 審校：ZRC
DOI: 10.1021/jacs.0c11226
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11226
