2022年2月23日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實驗室胡友財團隊在《Journal of the American Chemical Society》在線發(fā)表了題為“Flavin-dependent Monooxygenase Mediated 1,2-oxazine Construction via Meisenheimer Rearrangement in the Biosynthesis of Paeciloxazine”的研究論文，報道了天然產(chǎn)物中1,2-噁嗪環(huán)形成的生物合成酶及酶促機制，發(fā)現(xiàn)酶介導(dǎo)的[1,2]-邁森海默（[1,2]-Meisenheimer）重排反應(yīng)。
[1,2]-Meisenheimer重排被廣泛用于天然產(chǎn)物合成中，尤其是用于構(gòu)建1,2-噁嗪環(huán)，但對應(yīng)的生物合成酶鮮有報道。為此，胡友財團隊利用異源表達(dá)、體外生化實驗等鑒定了具有1,2-噁嗪環(huán)的真菌天然產(chǎn)物paeciloxazine的生物合成基因簇pax，以及催化形成1,2-噁嗪環(huán)的黃素依賴的單加氧酶PaxA。在此基礎(chǔ)上，該團隊通過體外生化實驗、alphafold2蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測、分子對接和分子動力學(xué)模擬、活性位點定向突變和DFT計算等實驗，提出了PaxA催化形成1,2-噁嗪環(huán)的酶促機制：底物在PaxA的作用下先形成N-氧化合物，隨后經(jīng)過[1,2]-Meisenheimer重排形成1,2-噁嗪環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)該酶接待的[1,2]-Meisenheimer重排反應(yīng)并不是經(jīng)歷傳統(tǒng)意義上的自由基機制，而是一個類似離子對的協(xié)同機制。N-氧化物的氧負(fù)離子攻擊?-H生成亞胺中間體，在質(zhì)子轉(zhuǎn)移劑（如精氨酸的胍基）存在時轉(zhuǎn)化為1,2-噁嗪環(huán)。該研究揭示了催化形成1,2-噁嗪環(huán)的酶促機制，擴展了生物合成中重排反應(yīng)的種類，為利用基因組挖掘發(fā)現(xiàn)含有1,2-噁嗪環(huán)的天然產(chǎn)物提供了新的策略。研究中還實現(xiàn)了天然產(chǎn)物paeciloxazine在模式真菌中的異源生物合成，為該類化合物的綠色獲取提供新途徑。
圖：A.PaxA與底物5的分子對接結(jié)果；B.FAD、底物5與R202之間的相對位置；C.PaxA催化1,2-噁嗪環(huán)的酶促機制
藥物研究所胡友財研究員為通訊作者，博士生王坤雅、助理研究員閆道江和劉冰語，以及北京生命科學(xué)研究所的博士生白松霖為共同第一作者。北京生命科學(xué)院齊湘兵團隊在DTF計算和分子動力學(xué)模擬等方面提供支持。該工作得到了國家自然科學(xué)基金(22107122)和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程(2021-I2M-1-029)等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c00881
藥物研究所
