Nature Chemistry：探究多功能周环酶LepI的催化分子机制

在有机化学合成里面，分次自由基并不需要同时重构多个氧-氧/氧-中亦有粒子基团，并且往往兼具很高的区域抑制和立体抑制。但在生物里面，甲酰胺分次自由基的核糖体却只有少数被路透社过。自成酸变位核糖体（chorismate mutase）、precorrin-8x七轮基变位核糖体、SpnF和PyrI4等分次核糖体的本体表明自然有机体出新了多种可以甲酰胺[4+2]环加成自由基及其他分次自由基的肽支架羧基，并且这些本体可以催化反应分次自由基的区域抑制和立体抑制。2017年，UCLA的隋光绪帝系主任课题组路透社了一种S-天冬氨酸七轮硫氨酸（SAM）依靠的多新功能分次核糖体LepI，它既能甲酰胺中亦有Diels-Alder（HDA）自由基，又能甲酰胺变Claisen芳基自由基6。在无法LepI假定下，衍生物2可以民间组织七轮醛逐步形成(E)-3和(Z)-4，并促使民间组织暴发大分子内Diels-Alder自由基（IMDA）或HDA自由基降解一系列的环加成自由基中间体。而在LepI的甲酰胺下，2不用亲和力地七轮醛逐步形成(E)-3，并促使暴发HDA自由基逐步形成单一中间体10，即Leporin C。LepI总称O-七轮基转回核糖体后裔，但是它无法七轮基转回核糖体活性。为什么该核糖体可以立体抑制地甲酰胺七轮醛自由基、HDA自由基和变Claisen芳基自由基？SAM的关键性又是什么？为了回答这些缺陷，2019年7年底21日，里面国科学院杭州有机分析化学学术研究小组的周佳海课题组和UCLA的隋光绪帝课题组合作开发在Nature Chemistry中亦有志上发表文章Structural Basis for Stereoselective Dehydration and Hydrogen-Bonding Catalysis by the SAM-Dependent Pericyclase LepI，解了可视的LepI及其与衍生物1、8、10的亚基固体本体，并通过与UCLA的Kendall Houk课题组合作开发开展理论近似值社会活动，有系统阐释了LepI甲酰胺的大分子的系统。在这些亚基本体里面，衍生物1是作为七轮醛自由基的羧酸相同物来与LepI顺利完成气态试验，目的是解释立体抑制七轮醛自由基机理；衍生物10是HDA自由基和变Claisen芳基自由基的中间体，其与LepI的亚基固体本体可以用来较为自由基前后的羧基到底消除改变；exo中间体8作为endo中间体9的相同物，其与LepI的亚基本体可应用领域于解释变Claisen芳基自由基的机理。LepI肽的有机体本体通过硒粒子的单红外光反常散射作法被解。在该本体里面，两大分子的LepI以N后端本体域互相缠绕交错在一齐，而C后端本体域则是兼具O-七轮基转回核糖体后裔典型的Rossman支架这种时是二级本体，且每大分子的LepI联结在此之后辅核糖体SAM。基因突变体核糖体活测定试验声称了H133、R295和D296对底物的极其重要关键性，联结LepI-SAM-1、LepI-SAM-8、LepI-SAM-10亚基本体以及对立体化学亚基本体的近似值，该文提出新LepI的甲酰胺的系统很或许如下：1. 七轮醛机理或许为E1-cb种系统：极其重要底物H133作为硫酸，去底物酯上的4-OH，并且平稳都可的烯酰胺，而侧链上的吡啶以反式合共平面的顺时针离去，R295以及靠近的氢基团的网络对此有有助于关键性。重回的水大分子(W')或许暂时被这些残留物爬，并与氧酯保持氢基团。LepI的七轮醛关键性是通过将酸和硫酸系统设计在反式角形和将线型的酰胺羧酸2单独在都可的反式羧基里面来充分利用1，4-反式消除的。2. 在HDA自由基里面，由于酯环上有剩余的空间内，所以侧链双烯可民间组织转动到利于自由基暴发的所在位置。小刀外面的异质关键性和亲水关键性所谓对映抑制充分利用的极其重要。更加不可或缺的是，H133和R295可以作为氢基团给体，充分发挥了平稳立体化学的关键性，降低了凸显能垒。3. 在前的路透社里面，SAM里面的带电粒子对核糖体活十分不可或缺，这暗示了SAM或许兼具磁性甲酰胺的关键性。磁性甲酰胺是最近被断定的一种甲酰胺手段。LepI的活性小刀是异质的，极性较低，少数的极性底物可消除一个适宜的线圈，使自由基物正处于适宜自由基暴发的出发点，平稳立体化学，降低能垒，有助于自由基的暴发。虽然固体本体里面SAM与羧酸并无法同样接触，但是SAM上的带电粒子会影响活性小刀的线圈，可以推测SAM可以平稳比自由基物兼具较低电荷分布的立体化学。4. 对于变Claisen芳基自由基，衍生物9仍然正处于接近NAC（near-attack conformation）的羧基。将H133基因突变为Q或N，该自由基活性急剧下降，这说明H133极也许是底物的。联结近似值，推测LepI通过H133和R295的底物和磁性关键性，活化了变Claisen芳基的羧酸，平稳了立体化学，从而甲酰胺了该自由基。LepI-SAM-1、LepI-SAM-8和LepI-SAM-10亚基固体本体里面的活性小刀。LepI-SAM-1亚基本体里面，酯上的吡啶与H133有氢基团关键性，六元环上的氮粒子和侧链上的羰基与R295、D296等底物及小刀里面的水大分子逐步形成了一个氢基团的网络。值得注意的是，本体里面的双烯侧链并无法往环顺时针靠近，逐步形成易于暴发DA自由基的羧基，而是溶剂里面的占优势了环上方的所在位置。对比三个亚基固体本体可以显露，二者酯及苯环的联结所在位置相同，氢基团的网络也大体上相同，但R295的羧基暴发了较少的改变。在O-七轮基转回核糖体类后裔里面，假定着His-Glu甲酰胺二联体。而在LepI里面，His-Glu里面的His被Arg（R295）取代了。一般来说His，Arg是更加好的氢基团给体，磁性平稳关键性也更加佳；且Arg硫酸性非常大，更加容易停留在底物的稳定状态。这很或许就是LepI能甲酰胺分次自由基而不是七轮基转回自由基的极其重要。该社会活动不仅拓展了我们对O-七轮基转回核糖体类后裔的新功能认知，也让我们对SAM的关键性有了新的认识，同时也说明了着SAM及依靠SAM的核糖体在生物人体内里面还有更加多新的关键性和新功能等着科学家去断定和探索。一般来说有机化学合成里面的甲酰胺剂，生物化学合成里面的核糖体往往兼具较低的立体亲和力和甲酰胺效率。鉴于分次自由基在化学合成应用领域里面的不可或缺性，对新型分次核糖体的断定和探索在更加促使生物化学合成以及有机化学合成作法里面将有着极大的吸引力。周佳海课题组的博士生蔡毓娟、隋光绪帝课题组的博士后Yang Hai和Masao Ohashi并列论文第一作者。固体衍射资料分别在杭州光源BL17U1、BL18U1和BL19U1线站收集的。专家新浪网戈惠明（南京大学生命科学学院系主任，国家所优秀青年基金获得者）分次自由基是一类在自由基处理过程里面可逐步形成环状立体化学的自由基，在有机化学合成里面兼具不可或缺的应用领域。在生物体里面，最近也断定了一系列分次自由基核糖体，如Claisen芳基自由基核糖体，Cope芳基自由基核糖体以及Diels-Alder自由基的核糖体等，其里面以Diels-Alder自由基核糖体被断定的较多，学术研究一般来说明晰。在2017年，UCLA的隋光绪帝课题组在对源自曲霉菌的Leporin C顺利完成生物化学合成学术研究时断定，LepI尽管被批注为一个SAM依靠的七轮基转回核糖体，然而却断定可以同时甲酰胺七轮醛自由基、Diels-Alder、中亦有Diels-Alder以及变Claisen芳基等自由基，是一少见的多新功能分次自由基核糖体。那么，新功能如此多样的LepI是如何发挥甲酰胺关键性的，SAM在甲酰胺处理过程里面发挥了什么关键性，活性彼此间是如何相互合作各步自由基的关系的？这些缺陷均尚待疑问。昨日，里面国科学院杭州有机分析化学学术研究小组的周佳海课题组和UCLA的隋光绪帝课题组合作开发揭示了LepI甲酰胺的大分子的系统。他们通过解七轮醛自由基的羧酸相同物衍生物1与LepI的气态本体，解释了LepI立体抑制七轮醛的自由基机理。同时，断定LepI在甲酰胺HDA的自由基里面，由于酯上的侧链双烯民间组织转动到有利于自由基暴发的所在位置，H133和R295通过逐步形成氢基团平稳了立体化学，降低了自由基能垒使得自由基终于顺利完成。通过对LepI-SAM-1的亚基固体本体顺利完成解，断定SAM在自由基里面并无法与羧酸暴发同样的关键性而是逐步形成一个氢基团的网络，通过磁性甲酰胺来发挥关键性。通过解衍生物8与LepI的气态本体同时联结分析化学近似值，确定LepI通过H133和R295的底物和磁性关键性，活化了变Claisen芳基的羧酸，平稳了立体化学，从而甲酰胺了该自由基。通过对极其重要底物的点基因突变，声称推测的的系统是合理的。再一作者通过将LepI与O-七轮基转回核糖体类后裔里面的其它核糖体顺利完成较为断定，原来的甲酰胺二联体His-Glu在LepI里面有机体成为Arg-Glu，这一改变使得LepI有机体为一个多新功能的分次自由基核糖体。分次自由基核糖体由于高度的立体亲和力和高效的成基团手段在天然中间体生物化学合成里面有不可或缺的关键性。而LepI作为现阶段被路透社的极其少见的多新功能分次自由基核糖体，对其甲酰胺的系统的直观阐述为这两项促使改造和利用奠下了系统化。原始出新处：Yujuan Cai, Yang Hai, Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson,et al.Structural basis for stereoselective dehydration and hydrogen-bonding catalysis by the SAM-dependent pericyclase LepI ,Nature Chemistry (2019) ,Published: 22 July 2019