戈惠明课题组揭示自然界苯环形成的新机制

　　

苯环广泛存在于生物体中，其芳香共轭结构可促进药物与靶标关键残基相互作用，从而发挥药效。然而关于自然界是如何合成这一芳香基团，苯环合成通常有两种方式：（1）在初级代谢中，莽草酸途径是芳香族氨基、羟基酸生成的常见途径，这些芳香族氨基、羟基酸是大多数生物合成苯衍生物的主要来源；（2）在次级代谢中，II型聚酮合酶催化聚酮骨架发生羟醛缩合并芳构化形成苯环。至于是否自然界中存在其它形式的苯环合成途径，学术界仍知之甚少。前期戈惠明课题组在对含肉桂酰基团的天然产物生物合成研究中首次发现了一类可催化多烯经6π电环化和氧化形成苯环的新机制（J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 7939–7948）。近日，聚焦这一科学问题，进一步发现一类细胞色素P450酶能够高效简洁地催化三烷基取代苯环的形成。

在前期的研究中，发现Lorneic acid是一类含1, 2, 4-三烷基取代苯环的聚酮抗生素，具有广泛的生物活性（图1）。这类分子的特点是苯环处于整个骨架的中间，其形成不可能是直接外源引入，而更可能是后期通过一种新的机制形成。

图1、Lorneic acid及其类似物

图2、新型苯环合成基因及其路径

该团队的研究发现P450酶LonP可催化线性多烯4氧化芳环化生成含苯环产物lorneic acid（2）（图2）。在此基础上，研究者推测自然界这类分子中的苯环都是由P450酶催化形成。为了验证这一假说，研究者以LonP为探针进行分析发现12条含有保守P450酶的同源基因簇，推测这些基因簇极可能负责合成lorneic acid的结构类似物。经培养基筛选和优化，研究者果然鉴定出4个新型三烷基取代苯环的聚酮抗生素，基因敲除和体外生化实验证实了细胞色素P450酶催化苯环的形成。至此，研究者发现了自然界由细胞色素P450酶催化苯环形成的崭新机制。

为了阐明这类细胞色素P450酶的催化机制，研究者首先从量子计算出发，发现当底物以高能折叠构象进入酶的活性口袋，随后发生羟基化和6π电环化反应时，可显著降低电环化能垒，从而加速反应进行。AlphaFold2 建模和分子动力学模拟同样表明，相比与过渡态TS1，P450酶的受限活性口袋更容易容纳过渡态TS2。那么该类P450酶主要通过特异性结合底物优势构象来降低电环化能垒，从而发生羟基化、电环化和脱氢级联反应来高效构建苯环。（图3）。

 

图3、DFT计算及AlphaFold2建模 

该工作清晰阐明了lorneic acid等一大类天然产物的生物合成机制，揭示了一种自然界崭新的苯环合成策略，并极大地丰富了P450酶超家族的功能多样性，相关工作发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202214026）。南京大学生命科学学院博士生杨雨蒙、赵尔娟和化学化工学院魏婉清博士为文章第一作者，南京大学生命科学学院戈惠明教授、焦瑞华教授和化学化工学院梁勇教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然基金及中央高校基本科研业务费等项目的资助。

 

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202214026