谭仁祥和戈惠明研究组揭示抗肿瘤分子chartreusi

2019-12-17 作者:产品测评   |   浏览(184)

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周环反应是一类在反应过程中形成环状过渡态的协同反应,比如著名的[4+2]环加成反应(Diels-Alder反应)、Cope-重排反应、Claisen-重排反应等,这些反应在有机合成中有着广泛的应用。有意思的是,在自然界中也观察到了可催化这些著名周环反应的酶。早在1965年,Woodward和Hoffmann两位诺贝尔化学奖获得者就预测了[6+4]或其它高阶环加成反应可以发生,随后在有机合成中确实观察到了[6+4]反应,但自然界中是否存在着可催化[6+4]反应的酶仍然是个谜。

图片摘要

南京大学戈惠明、谭仁祥和梁勇研究团队首次鉴定出能够催化[6+4]环加成反应的一类酶家族,相关成果“Enzyme-catalysed [6+4] cycloadditions in the biosynthesis of natural products”2019年3月13日在线发表在英国《自然》杂志上。南京大学助理研究员张博博士、以及博士研究生王凯标、王文和汪欣为该论文共同第一作者。戈惠明、谭仁祥、梁勇以及加州大学洛杉矶分校的Kendall N. Houk教授为共同通讯作者。

由细菌合成的多环芳香聚酮类化合物是抗肿瘤、抗菌药物的重要来源,典型的例子包括阿霉素、四环素等。这类分子的基本碳骨架大多由细菌的II型聚酮合成酶(Type II PKS)负责构建,但后期的各类氧化重排反应是此类分子结构和生物活性多样性的关键,理解氧化重排的酶学机制,对于它们的结构以及构效关系的研究至关重要。Chartreusin是一种从放线菌中发现的强效抗肿瘤候选药物,它可与DNA结合,通过自由基断裂DNA,进而诱导肿瘤细胞凋亡。尽管Chartreusin的生物合成基因簇早在2005年就已被德国科学家Christian Hertweck研究组克隆鉴定,但其具体的合成步骤特别是关键的氧化重排反应依然不明。

该团队在前期工作中,从海洋放线菌中发现了一个具有抗幽门螺旋杆菌活性的新颖大环内酯化合物命名为streptoseomycin,根据其结构推断,它在微生物体内的合成过程中可能涉及[4+2]环加成反应。为鉴定此过程,他们比较分析了streptoseomycin以及其结构类似物nargenicin的生物合成基因簇,推测一个未知功能的同源蛋白StmD、NgnD很有可能分别负责streptoseomycin和nargenicin中的环化反应。然而,敲除stmD基因并未得到预料中的环化产物前体3,而得到了线性化合物4和5,这很可能是化合物3环内双键较多,张力较大,自发水解开环所致。研究人员设计了一个在微生物体内验证StmD功能的实验,首先敲除了基因簇上大部分基因,仅留下聚酮合成酶基因,此突变株只产生化合物4;当将stmD基因回补回去时,得到了化合物6−8,其中化合物7不稳定,可经Cope重排转化成6。该结果表明,聚酮合成酶的直接产物是3,若无下游其它酶存在时,3将发生水解开环而生成4;若再引入StmD,则催化发生周环反应,奇怪的是,该酶不仅催化了[4+2]反应,也催化了[6+4]反应。

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Figure 1. A) Examples of natural products synthesized by type II PKSs where oxidative rearrangement (highlighted in red) play a key role in generating structural complexity. B) Biosynthesis of chartreusin

天然产物生物合成中的环加成

近日,南京大学生命科学学院医药生物技术国家重点实验室的戈惠明和谭仁祥研究团队揭示了chartreusin生物合成末期的一关键的氧化重排反应的酶学机制。该研究成果以Molecular Basis for the Final Oxidative Rearrangement Steps in Chartreusin Biosynthesis于2018年8月1日在线发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society),论文链接为http://dx.doi.org/10.1021/jacs.8b06623。

随后,研究人员设计了两步串联的酶反应在体外来验证周环酶的催化功能。首先,通过聚酮合成酶上的硫酯酶结构域催化链状化合物4-SNAC环化形成3,当同时加入StmD或NgnD时,反应体系中观察到了化合物6−8的生成,确证StmD或NgnD可同时催化[4+2]和[6+4]反应。此外研究人员以StmD为探针从公共基因组数据库中,挖掘鉴定出了另外三个可催化此反应的酶。

研究人员从一高产chartreusin的海洋放线菌出发,通过对其生物合成相关基因的敲除,合成中间体的分离、鉴定,化学回补以及异源生物转化等方法,确定了五环邻醌化合物为关键中间体,并且从2到最终产物chartreusin的转化是由一双加氧酶(dioxygenase)ChaP介导的。

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