中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋微生物代謝工程與生物合成研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校劉鴻文教授團(tuán)隊(duì)合作，在非典型角環(huán)素環(huán)氧基團(tuán)的開環(huán)反應(yīng)及其機(jī)理研究上取得新進(jìn)展，相關(guān)成果于2022年8月20日在線發(fā)表于Nature Communications（《自然·通訊》）。
非典型角環(huán)素類天然產(chǎn)物骨架類型豐富多樣，生物活性優(yōu)良，是開發(fā)抑菌、抗腫瘤藥物和酶抑制劑的熱點(diǎn)分子，環(huán)氧基團(tuán)（三元環(huán)醚）是非典型角環(huán)素的重要結(jié)構(gòu)單元，對(duì)結(jié)構(gòu)修飾及多樣化具有舉足輕重的影響。因此，闡明環(huán)氧開環(huán)的反應(yīng)機(jī)理可以為結(jié)構(gòu)多樣性的拓展和先導(dǎo)化合物的篩選提供分子支撐，為構(gòu)效關(guān)系的優(yōu)化提供輔助工具。
研究團(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)來(lái)源于kinamycins生物合成基因簇的環(huán)氧水解酶Alp1U能夠水解FST C（1）的環(huán)氧基團(tuán)（Zhang L et al，J. Biol. Chem.，2000, 295, 16987-16997）。據(jù)此推測(cè)來(lái)源于Fluostatins生物合成基因簇的水解酶FlsH（Alp1U同源蛋白）可能負(fù)責(zé)FST C（1）的環(huán)氧水解，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示FlsH并不能催化該反應(yīng)，而是催化FSTs脫酰基反應(yīng)（Huang C et al, Nat. Commun. 2018, 9, 2088）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黃素（Fre）才是真正介導(dǎo)FST C（1）中環(huán)氧非酶催化開環(huán)的神秘物質(zhì)（圖1）。
為揭示黃素介導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)的反應(yīng)機(jī)理，研究人員進(jìn)行了產(chǎn)物分離鑒定、穩(wěn)定同位素標(biāo)記（2H和18O）、pH梯度、時(shí)間梯度、濃度梯度及不同的黃素輔酶因子等實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，黃素能夠介導(dǎo)FST C（1）的還原開環(huán)，將溶液中的H原子摻入到產(chǎn)物的C-3位，同時(shí)能夠介導(dǎo)氧化開環(huán)，將空氣中的氧原子摻入到產(chǎn)物C-3位的OH。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該黃素介導(dǎo)的環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)能夠拓展到多個(gè)FST類似物及其他天然產(chǎn)物，并總結(jié)了其底物結(jié)構(gòu)特征：必需具有環(huán)氧相鄰的酮基和芳香環(huán)。最后，研究人員推測(cè)黃素介導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)的反應(yīng)機(jī)理（圖2）。在還原開環(huán)反應(yīng)中，通過(guò)形成N5？C4′共價(jià)鍵傳遞電子，還原底物形成烯醇中間體13，進(jìn)一步互變異構(gòu)為7和8，或氧化為3和9；在氧化開環(huán)反應(yīng)中，通過(guò)FADOO-直接進(jìn)攻環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生親核取代，引發(fā)環(huán)氧開環(huán)形成C4a？O？O？C3′共價(jià)鍵中間體，釋放出過(guò)氧產(chǎn)物14，后者再通過(guò)NADH還原、重排縮環(huán)和擴(kuò)環(huán)形成終產(chǎn)物3，9，10和11。
綜上所述，研究人員從兩個(gè)方面豐富了黃素（Flavin）化學(xué)：1）黃素或可通過(guò)N-5與反應(yīng)底物形成共價(jià)鍵傳遞電子；2）除羥化、形成環(huán)氧以及引發(fā)Baeyer-Villiger重排反應(yīng)外，黃素過(guò)氧化物FADOO-還可與環(huán)氧發(fā)生親核取代反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)或可為有機(jī)合成提供有用的新工具。
2022屆博士研究生Bidhan Chandra De（印度籍）和張文軍研究員為本文共同第一作者，張長(zhǎng)生研究員與劉鴻文為本文共同通訊作者。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、王寬誠(chéng)教育基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目和南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)等資助。
相關(guān)論文信息：Bidhan Chandra De#, Wenjun Zhang#, Chunfang Yang, Attila Mándi, Chunshuai Huang, Liping Zhang, Wei Liu, Mark W. Ruszczycky, Yiguang Zhu, Ming Ma, Ghader Bashiri, Tibor Kurtán, Hung-wen Liu*, and Changsheng Zhang*, Flavin-enabled reductive and oxidative epoxide ring opening reactions. Nature Communications 2022, 13, 4896. https://www.nature.com/articles/s41467-022-32641-1
圖1 黃素介導(dǎo)的環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)及反應(yīng)的產(chǎn)物
圖2 推測(cè)的環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)機(jī)理
附件下載：