近期，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周佳海課題組與美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校唐奕課題組、Kendall N. Houk課題組合作，首次表征自然界中催化Alder-ene反應(yīng)的酶及其催化氧雜Diels-Alder（DA）反應(yīng)的同源蛋白，解析這兩類酶及其復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，并基于結(jié)構(gòu)信息和計(jì)算指導(dǎo)通過定點(diǎn)突變實(shí)現(xiàn)周環(huán)選擇性的逆轉(zhuǎn)，闡明兩類酶如何利用幾乎相同的活性位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)周環(huán)選擇性的精準(zhǔn)控制。

周環(huán)反應(yīng)是指具有環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同反應(yīng)，這類反應(yīng)在天然產(chǎn)物合成中常常被應(yīng)用于高效構(gòu)建多個(gè)碳碳鍵，具有較好的立體選擇性和區(qū)位選擇性。2011年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)Austin分校劉鴻文課題組首次鑒定出能夠催化DA反應(yīng)的周環(huán)酶SpnF。此后，科學(xué)家先后從多種天然產(chǎn)物的生物合成途徑中鑒定出了不同的新型周環(huán)反應(yīng)酶。2019年，周佳海課題組與唐奕課題組合作，系統(tǒng)地闡釋了多功能周環(huán)酶LepI立體選擇性脫水與催化雜DA反應(yīng)、逆Claisen重排反應(yīng)的分子機(jī)制。

在該研究中，唐奕課題組以LepI為基礎(chǔ)，從真菌天然產(chǎn)物生物合成途徑中鑒定出6個(gè)具有很高序列相似度的O-甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白PdxI、AdxI、ModxI、EpiI、UpiI、HpiI。體外酶學(xué)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證，PdxI、AdxI、ModxI催化Alder-ene反應(yīng)，而EpiI、UpiI、HpiI催化氧雜DA反應(yīng)。周佳海課題組解析了Alder-ene反應(yīng)酶PdxI以及氧雜DA反應(yīng)酶HpiI的apo晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)得到這兩個(gè)酶與底物類似物以及產(chǎn)物的共晶結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，Houk課題組對(duì)Alder-ene反應(yīng)酶PdxI催化體系進(jìn)行DFT理論計(jì)算、分子對(duì)接以及動(dòng)力學(xué)模擬，揭示PdxI/AdxI/ModxI、EpiI/UpiI/HpiI這兩組同源性的周環(huán)酶因?yàn)檫M(jìn)化上的細(xì)微分歧導(dǎo)致了不同周環(huán)選擇性的分子機(jī)制。該研究加深了對(duì)周環(huán)反應(yīng)酶催化機(jī)制的理解，為探索Alder-ene反應(yīng)和雜DA反應(yīng)的新型生物催化劑提供了啟示。

相關(guān)成果發(fā)表在《自然》上，唐奕課題組博士Masao Ohashi、博士研究生Cooper S. Jamieson和周佳海課題組博士研究生蔡毓娟并列論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目、上海市國(guó)際合作項(xiàng)目的資助，晶體衍射數(shù)據(jù)在上海光源BL17U1和國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施BL18U1 、BL19U1處收集。

吡啶酮類天然產(chǎn)物pyridoxatin及其類似物的部分生物合成途徑