双吡咯并吲哚（BPI）生物碱因其显著的细胞毒性、抗菌及抗肿瘤等药理活性备受关注，其核心结构3a,3a'-双吡咯并[2,3-b]吲哚是活性的关键。其中，BPI-DKP亚类因其独特的C₂对称性骨架及相邻的季碳手性中心，不仅在药物开发中展现出重要价值，更因其复杂的立体化学特性而成为合成化学领域极具挑战性的目标分子。长期以来，其生物合成途径被推测可能涉及P450酶介导的双自由基偶联过程（图1），然而这一理论模型始终缺乏相关的实验证据支撑。

近日，上海交通大学生命科学技术学院瞿旭东教授（点击查看介绍）团队与厦门大学王斌举教授（点击查看介绍）团队合作，在化学领域顶级期刊 JACS 上发表研究论文。该项研究解析了自然界中双吡咯并吲哚二酮哌嗪（Bispyrrolidinoindoline Diketopiperazine, BPI-DKP）类生物碱核心结构单元吡咯并吲哚形成的酶催化分子机制。研究颠覆了经典的双自由基偶联合成假说，首次阐明P450酶对相同结构单元采用两种截然不同的环化策略，为理解此类复杂天然产物的生物合成奠定了关键分子基础，并对相关二聚体分子的生物合成路径解析与仿生合成设计具有重要指导意义。

图1. BPI生物碱及其推测的生物合成途径

研究团队前期从细菌中鉴定并表征了二聚化酶TtpB1（该酶也由Li Shu-ming团队于Chem. Commun., 2020, 56, 11042报道）。通过系统的体内外功能分析，证实TtpB1能特异性识别环状色氨酸-色氨酸二酮哌嗪（cWW）及其卤代衍生物，并催化形成C₂对称的BPI核心骨架。综合运用序列比对、稳态动力学溶剂同位素效应、氧气替代反应及关键残基突变等多种手段，团队进一步确认该反应的催化起始于高活性中间体Compound I。

图2. TtpB1的体内外功能分析

研究团队成功解析了TtpB1与底物结合的复合物晶体结构，首次揭示了BPI合成酶采用一种非对称的底物结合模式。基于该复合物晶体结构的发现，进一步结合结构导向的定点突变、底物类似物筛选、分子动力学模拟及QM/MM计算，系统阐明了TtpB1催化BPI-DKP形成的创新机制。该过程依次包括：（i）CpdI介导产生氮中心DKP自由基，随后引发环化形成C3-自由基吡咯并吲哚中间体；（ii）该自由基中间体加成至第二个DKP的C3′位；（iii）经单电子转移（SET）驱动完成第二个吡咯并吲哚单元的环化。这一N自由基驱动和单电子转移驱动的偶联、环化过程，展现了复杂天然产物二聚体生物合成中前所未有的反应多样性。此外，TtpB1通过诱导底物发生构象转变，精确引导自由基中间体以Si面进行加成，从而实现了对相邻季碳手性中心的立体选择性精准控制。

图3. TtpB1的晶体复合物结构分析

图4. MD模拟和QM/MM计算机理与体外验证

该研究不仅修正了传统P450酶催化BPI-DKP生物合成的理论认知，首次完整阐明了该类生物碱的成环机制，也从分子层面揭示了P450催化在复杂二聚化反应中的机制多样性。这为复杂吡咯并吲哚类天然产物的理性酶工程改造与仿生合成提供了关键理论指导，有望推动该类活性化合物的高效生物制造。

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）：

P450-Mediated Dual Cyclization Mechanisms for Pyrroloindoline Unit Formation in Bispyrrolidinoindoline Diketopiperazine Alkaloid Biosynthesis

Yeqing Du, Guangzheng Wei*, Tai-Ping Zhou, Yuhan Dai, Wenya Tian, Mancheng Tang, Zixin Deng, Binju Wang*, Xudong Qu*

J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c14741

研究团队简介

瞿旭东，上海交通大学生命科学技术学院特聘教授、国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金获得者。 瞿旭东课题组长期致力于复杂吡咯并吲哚生物碱的生物合成机制与高效合成研究，在该领域取得了一系列系统性成果：重新构建了该类化合物的分类框架（Nat. Prod. Rep. 2022, 39, 1721）；首次发现并表征了非对称型吡咯并吲哚P450偶联酶（Nat. Commun. 2018, 9, 4428），阐释了其立体与区位选择性机制（Nat. Commun. 2020, 11, 6251）；发展了针对该类P450酶的全细胞催化合成体系（J. Org. Chem. 2021, 86, 11189）；通过理性设计与酶工程改造，大幅度拓展了该酶家族的底物谱系，实现了近百种高活性吡咯并吲哚生物碱的多样性合成（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304994）；以及还发现了核碱基驱动的新型P450过氧化物酶催化体系合成核碱基吡咯并吲哚生物碱（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 2024, 121:e2412890121）。本项工作是该团队在该研究领域的又一重要突破。

瞿旭东

https://www.x-mol.com/university/faculty/49560 

王斌举

https://www.x-mol.com/university/faculty/243303