新型双加氧酶催化合成抗肿瘤分子chartreusin的氧化重排机制

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。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（点击查看介绍）和谭仁祥（点击查看介绍）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。

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 (1).

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（3）为关键中间体，并且从3到最终产物chartreusin（1）的转化是由一双加氧酶（dioxygenase）ChaP介导的。

然而，在体外反应中，ChaP蛋白却未能将化合物3转化为化合物1。分析显示，ChaP属于Vicinal Oxygen Chelate（VOC）蛋白超家族，该超家族的蛋白功能多样，其中catechol 2,3-dioxygenase可催化儿茶酚上与酚羟基相邻的碳碳键的断裂，研究人员推测，ChaP很有可能与catechol 2,3-dioxygenase催化反应的断键方式类似，但不同点在于：儿茶酚化合物比邻苯醌化合物多了2个电子。最后，研究人员发现ChaP的催化需要黄素（FAD）和黄素还原酶（flavin reductase）的参与，即需要黄素活化的氧（Fl-OOH）而非普通的氧气作为此反应的氧化剂，但有趣的是，ChaP未能预测出黄素的结合位点。

为进一步研究该反应的催化机理，研究人员获得了ChaP蛋白的晶体，经分子对接和点突变实验，阐明了此类新型氧化酶的反应机制，即：底物3中的两个酮羰基与ChaP中的二价铁结合后，FAD活化的过氧化氢进入活性中心，断裂C-C键，生成IV；紧接着，另一分子过氧化氢进入活性中心，发生第二次C-C键断裂，放出一份子二氧化碳，并关环形成最终产物1。

Figure 2. Structures of ChaP and its homologous enzymes and proposed catalytic mechanism. The dimeric structure of ChaP (PDB: 6A4Z) (A), ChaP-H1 (PDB: 6A52) (B), and ChaP-H2 (PDB: 6A4X) (C), (D) superimposed image of ChaP (wheat), and its homologs ChaP-H1 (yellow) and ChaP-H2 (aquamarine) and their symmetric monomer was marked as light gray. (E) Colored surface of ChaP and the putative substrate position by docking. The molecular surface was colored by amino acid hydrophobicity according to the Kyte-Doolittle scale: the hydrophobicity scale from least to most was colored blue to orange to red with zero hydrophobicity colored as white. (F) Amino acid residues in ChaP that form the active site. Residues from two monomers were colored in gold and silver, respectively. (G) Proposed mechanism for ChaP-catalyzed reaction.

文章的第一作者是南京大学生命科学学院王以爽和张博博士，南京大学戈惠明教授、谭仁祥教授和南京中医药大学朱家鹏教授是论文的共同通讯作者。

该论文作者为：Yi Shuang Wang, Bo Zhang, Jiapeng Zhu, Cheng Long Yang, Yu Guo, Cheng Li Liu, Fang Liu, Huiqin Huang, Suwen Zhao, Yong Liang, Rui Hua Jiao, Ren Xiang Tan, Hui Ming Ge

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Molecular Basis for the Final Oxidative Rearrangement Steps in Chartreusin Biosynthesis

J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b06623

导师介绍

戈惠明

http://www.x-mol.com/university/faculty/49835

谭仁祥

http://www.x-mol.com/university/faculty/49836

朱家鹏

http://www.x-mol.com/university/faculty/49837