天大董敏组Angew：B12依赖SAM自由基酶实现碳氟甲基化

基于氟的特殊性质，氟和含氟官能团在医药、农业等方面都有重要的作用。其中，向药物分子中引入氟甲基可以提高分子的活性和生物利用度。氟甲基存在于多种抗肿瘤、抗炎药物。复杂药物分子高特异性的氟甲基化是化学合成中的挑战。生物催化因其优良的特异性和温和的反应条件而具有独特优势，近来已被用于氟甲基转移反应。然而，目前报道的方法主要通过SAM依赖的亲核性甲基转移酶和氟甲基SAM类似物催化O、N、S等原子亲核氟甲基化，而对于不活泼碳的氟甲基化因十分困难而尚未实现。

近日，天津大学董敏教授（点击查看介绍）团队在前期酶促亲核机制的氟甲基、氟乙基工作基础上（ACS Catal. 2023, 13, 13729; ACS Catal. 2024, 14, 6211），与合作者在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上发表研究论文，实现了B12依赖的SAM自由基甲基转移酶（B12-RSMTs）催化的自由基氟甲基化反应。发现酶通过识别原位产生的非天然辅因子F-SAM，生成5´-脱氧腺苷（5´-dA）自由基，同时在一种全新的氟甲基B12（CH₂FCbI）中间体的参与下，实现了不活泼碳氟甲基化修饰，并成功应用于多肽、活性天然产物的特异性氟甲基化。

图1. B12依赖的SAM自由基酶催化碳氟甲基化

QCMT属于B12依赖的SAM自由基甲基转移酶，它参与甲基辅酶M还原酶（MCR）418位谷氨酰胺Cα的甲基化后修饰。作者通过HMT原位产生SAM的甲基被氟甲基取代的氟代SAM（F-SAM），发现当使用柠檬酸钛（Ti(III) citrate）为还原剂时，QCMT可以还原性切割F-SAM产生5´-dA，同时在361nm下检测到新峰的生成。通过高分辨质谱、¹⁹F-NMR及X-单晶衍射表明该新峰为全新的中间体氟甲基B12（CH₂FCbI）。此外，还检测到QCMT催化多肽底物PS24中谷氨酰胺Cα氟甲基化的产物（图2）。

图2. HMT与QCMT级联氟甲基化反应。（A）在254nm下检测QCMT切割F-SAM的HPLC分析。（B）在361nm下检测CH₂FCbI形成的HPLC分析。（C）CH₂FCbI的X单晶衍射分析。（D）HMT与QCMT级联氟甲基反应用胰蛋白酶酶解后的MS/MS分析。（E）负对照组用胰蛋白酶酶解后的MS/MS分析。

作者通过对QCMT催化的氟甲基反应进行实时UV-vis监测、LC-MS分析及时间依赖的HPLC分析等，推测了HMT与QCMT级联氟甲基化的反应机理：首先，HMT催化SAH与CH₂FI反应生成F-SAM，QCMT中的铁硫簇被还原为一价后传电子给F-SAM，使其均裂产生5´-dA自由基，进而夺取底物上的氢原子，产生底物自由基；同时QCMT中的钴胺被还原为一价并亲核进攻CH₂FI，产生氟甲基B12；氟甲基B12与底物自由基发生自由基取代反应后，生成氟甲基产物与二价钴胺素，二价钴胺素被还原为一价后继续进行下一轮催化（图3）。

图3. 推测的HMT与QCMT级联氟甲基化反应机理

接下来，作者将氟甲基级联反应运用至其他的B12-RSMTs：CysS与GenD1。CysS参与天然产物Cystobactamids的生物合成，在HMT与CysS的级联反应中，获得氟甲基化产物-化合物4。GenD1参与天然产物庆大霉素的生物合成，在HMT与GenD1的级联反应中，获得氟代的庆大霉素X₂（图4）。

图4.（A）HMT与CysS级联反应中氟甲基产物的LC-MS分析。（B）HMT与GenD1级联反应中DNFB衍生化的氟甲基产物的LC-MS及MS/MS分析。

最后，作者发现F-SAM对于氟甲基化反应并不是必须的，当用SAM代替F-SAM并加入CH₂FI仍然可以产生氟甲基产物，这进一步验证了之前提出的反应机理。

该工作拓展了SAM自由基酶的应用范围，为高选择性制备更多的氟烷基天然产物提供了创新方法。

天津大学博士研究生孔丽媛为论文的第一作者，天津大学董敏教授为论文的通讯作者，盈科瑞（天津）创新医药研究有限公司扈靖博士为共同通讯作者，盈科瑞公司章见亮、天津大学硕士生王皓欣、博士研究生魏志锋和硕士毕业生王文瑞也参与了研究工作。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

B12-Dependent Radical SAM Enzymes Catalyze C-Fluoromethylation via a CH₂F-cobalamin Intermediate

Liyuan Kong, Jianliang Zhang, Haoxin Wang, Zhifeng Wei, Wenrui Wang, Jing Hu, Min Dong

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202419815

导师介绍

董敏

https://www.x-mol.com/university/faculty/64301