上海有机所刘文研究员课题组 JACS：富硫细菌环肽的生物合成研究

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硫原子的引入是自然界赋予天然产物结构多样性和生物活性多样性的重要手段。上海有机所刘文课题组长期致力于核糖体肽来源的富硫细菌环肽的生物合成研究。课题组先后解析了硫链丝菌素侧环中的喹纳酸（Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, 113, 14318–14323 和 J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 12105–12108）、诺丝七肽侧环中的甲基吲哚酸（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18186-18189 和 Org. Lett. 2019, 21, 1502-1505）、硫霉素结构中的唑杂环（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8454–8463）和Sch40832 核心环中二氢咪唑并哌啶（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13790–13797）等非天然氨基酸结构单元形成的酶学过程。
维里硫酰胺类核糖体肽通过抑制线粒体 ATP 合酶的活性，诱导线粒体损伤、引发细胞凋亡，是潜在的抗肿瘤药物。家族成员分子以核糖体合成的前体肽为基础，通过一系列复杂的翻译后修饰，引入特征性的硫酰胺键和 C 末端的烯基硫醚大环体系。包含两个非天然氨基酸：2-氨基乙烯基半胱氨酸（2-aminovinyl-cysteine，AviCys）和β-羟基-N,N-二甲基组氨酸（β-hydroxy-N,N-dimethyl-histidine，hdmHis）。
2021 年刘文课题组首次解析了分子中 2-氨基乙烯基半胱氨酸的生物合成（Cell Chemical Biology. 2021, 28, 675-685）。反应依赖四个独立的蛋白：磷酸转移酶、裂解酶、失活激酶和黄素蛋白。磷酸转移酶催化苏氨酸羟基 O-磷酸化活化，之后裂解酶催化磷酸基团的离去，得到脱水丁胺酸。黄素蛋白催化末端半胱氨酸氧化脱羧，之后与失活激酶形成蛋白复合物催化 Michael 加成反应得到 2-氨基乙烯基半胱氨酸结构。 图 硫酰胺类分子烯基硫醚环形成机制

最近，课题组报道了维里硫酰胺结构中 β-羟基-N,N-二甲基组氨酸的生物合成过程。β-羟基-N,N-二甲基组氨酸单元未见于其它天然产物，为维里硫酰胺类核糖体肽所独有。课题组结合体内基因敲除、大肠杆菌异源表达、体外生化测活和计算分析，详细阐释了 β-羟基-N,N-二甲基组氨酸的形成机制和生物合成逻辑。以组氨酸残基为底物，该单元的形成依赖C 末端烯基硫醚大环体系的建立，严格按照N,N-双甲化和β-羟基化的催化顺序进行。研究还对组氨酸官能团化的特异性和与其它翻译后修饰反应的兼容性进行了系统考察。
腺苷甲硫氨酸（S-adenosyl-L-methionine，SAM）依赖的蛋白 TvaG 利用 SAM 作为甲基供体，催化咪唑上发生两步 N-甲基化，第一步 N-甲基化是反应的决速步。目前蛋白上 His的甲基化翻译后修饰仅局限于N-单甲基化，这是首例报道的酶催化的 His 双甲基化反应。第一步 N-甲基化反应可能涉及碱催化，而酶主要加速第二步甲基化反应。
在辅因子酮戊二酸、Fe(II) 和抗坏血酸的存在下，酮戊二酸依赖的单加氧酶 TvaJ 攫取 His 的 β-H，引发自由基反应，实现 sp³ C-H 键的不对称羟化。TvaJ 发挥活性需要前导肽（Leader peptide，LP）的存在，这是极少见的需要严格依赖前导肽的单加氧酶。酮戊二酸依赖的单加氧酶催化 His 发生羟化反应，只在哺乳动物中有过一例报道，而原核生物中 His 的 β-羟化则是由其它家族的酶催化形成。
相关研究加深了核糖体肽来源的天然产物及其相关翻译后修饰机制方面的认识。上述工作已经在J. Am. Chem. Soc.上在线发表（doi.org/10.1021/jacs.1c11669），论文第一作者为有机所博士生胡玲，该工作得到国家自然科学基金委的资助。 
图 硫酰胺类分子组氨酸官能团化和生物合成逻辑研究

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c11669

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