Nature Chemistry：揭示多功能周环酶LepI的催化分子功能

在分析化学中都，不动点中化学反应并能同时相为根基多个碳原子-碳原子/碳原子-杂原子键，并且往往较强很高的区域胺类和立体胺类。但在自然界中都，中间体不动点中化学反应的核糖体却只有少数被路透社过。分支碱变位核糖体（chorismate mutase）、precorrin-8x中三基变位核糖体、SpnF和PyrI4等不动点中核糖体的形态确实自然趋同出了多种可以中间体[4+2]环中加成化学反应及其他不动点中化学反应的复合物前端官能团，并且这些形态可以调控不动点中化学反应的区域胺类和立体胺类。2017年，UCLA的汉道光帝副教授课题组路透社了一种S-腺苷谷胱甘肽（SAM）依赖的多机能不动点中核糖体LepI，它既能中间体杂Diels-Alder（HDA）化学反应，又能中间体自是Claisen中间体化学反应6。在很难LepI存在下，有机化合物2可以自发油脂转变成(E)-3和(Z)-4，并必要性自发频发大分子内Diels-Alder化学反应（IMDA）或HDA化学反应生成一系列的环中加成化学反应中间体。而在LepI的中间体下，2只能烷基化地油脂转变成(E)-3，并必要性频发HDA化学反应转变成单一中间体10，即Leporin C。LepI属于O-中三基转移核糖体大家族，但是它很难中三基转移核糖体活命性。为什么该核糖体可以立体胺类地中间体油脂化学反应、HDA化学反应和自是Claisen中间体化学反应？SAM的功用又是什么？为了反问这些问题，2019年7同月21日，中都国科学院上海有机化学研究室的周佳海课题组和UCLA的汉道光帝课题组携手在Nature Chemistry杂志上发表文章Structural Basis for Stereoselective Dehydration and Hydrogen-Bonding Catalysis by the SAM-Dependent Pericyclase LepI，验证了高分辨率的LepI及其与有机化合物1、8、10的亚基晶体形态，并通过与UCLA的Kendall Houk课题组携手开展理论量度工作，系统地表述了LepI中间体的大分子机能。在这些亚基形态中都，有机化合物1是作为油脂化学反应的催化衍生物来与LepI顺利完成共晶试验，目的是解读立体胺类油脂化学分子结构；有机化合物10是HDA化学反应和自是Claisen中间体化学反应的中间体，其与LepI的亚基晶体形态可以用来比较化学反应前后的官能团是否归因于改变；exo中间体8作为endo中间体9的衍生物，其与LepI的亚基形态可用于解读自是Claisen中间体化学反应的机理。LepI复合物的母体形态通过硒原子的单波长反常散射方法被验证。在该形态中都，两大分子的LepI以N端形态域两者之间缠绕交错在独自一人，而C端形态域则是较强O-中三基转移核糖体大家族典型的Rossman前端这种的大二级形态，且每大分子的LepI为根基一大分子辅核糖体SAM。突变体核糖体活命测定试验证实了H133、R295和D296对中间体活命性的这两项功用，为根基LepI-SAM-1、LepI-SAM-8、LepI-SAM-10亚基形态以及对化学分子结构亚基形态的量度，该文提出LepI的中间体机能很可能会如下：1. 油脂机理可能会为E1-cb途径：这两项肽键H133作为氯，去加成酚上的4-OH，并且平衡可视的烯醇，而侧链上的乙基以反式共平面的一段距离起身，R295以及附近的肽键网路反驳有促进功用。离开的水大分子(W')可能会于是在被这些残留物吓退，并与碳原子酰保持肽键。LepI的油脂功用是通过将碱和氯的设计在反式构型和将斜向的醇催化2固定在可视的反式官能团中都来充分利用1，4-反式消除的。2. 在HDA化学反应中都，由于酚环中上有这样一来的室内空间，所以侧链双烯可自发翻转到利于化学反应频发的右边。口袋周边的疏水功用和亲水功用是非则否胺类充分利用的这两项。更不可或缺的是，H133和R295可以作为肽键给体，充分发挥了平衡化学分子结构的功用，减少了反映能垒。3. 在此前的路透社中都，SAM中都的正电荷对核糖体活命十分不可或缺，这暗示了SAM可能会较强电弧中间体的功用。电弧中间体是最近被注意到的一种中间体方式。LepI的活命性口袋是疏水的，大分子会极低，少数的大分子会肽键可归因于一个有用的动量，使化学反应物属于适宜化学反应频发的取向，平衡化学分子结构，减少能垒，促趋同学反应的频发。虽然晶体形态中都SAM与催化并很难直接接触，但是SAM上的正电荷会制约活命性口袋的动量，可以断定SAM可以平衡比化学反应物较强更高偶极矩的化学分子结构。4. 对于自是Claisen中间体化学反应，有机化合物9已经属于差不多NAC（near-attack conformation）的官能团。将H133突变为Q或N，该化学反应活命性最大限度下降，这说明H133极可能会是加成的。为根基量度，断定LepI通过H133和R295的加成和电弧功用，活命化了自是Claisen中间体的催化，平衡了化学分子结构，从而中间体了该化学反应。LepI-SAM-1、LepI-SAM-8和LepI-SAM-10亚基晶体形态中都的活命性口袋。LepI-SAM-1亚基形态中都，酚上的乙基与H133有肽键功用，六元环中上的氮原子和侧链上的自由基与R295、D296等肽键及口袋中都的水大分子转变成了一个肽键网路。值得注意的是，形态中都的双烯侧链并很难往环中一段距离靠近，转变成易于频发DA化学反应的官能团，而是溶剂中都的蚕食了环中右侧的右边。对比三个亚基晶体形态可以看出，二者酚及苯环中的为根基右边相近，肽键网路也大体类似，但R295的官能团频发了较少的变化。在O-中三基转移核糖体类大家族中都，存在着His-Glu中间体二联体。而在LepI中都，His-Glu中都的His被Arg（R295）过渡到了。相较来说His，Arg是更好的肽键给体，电弧平衡功用也更好；且Arg氯性更弱，更容易停留在加成的完全。这很可能会就是LepI能中间体不动点中化学反应而不是中三基转移化学反应的这两项。该工作不仅拓展了我们对O-中三基转移核糖体类大家族的机能认知，也让我们对SAM的功用有了在此之后接触，同时也预示着SAM及依赖SAM的核糖体在生物新陈代谢中都还有更多在此之后功用和机能等着生物学家去注意到和探求。相较来说分析化学中都的中间体剂，糖类中都的核糖体往往较强更高的立体烷基化和中间体效率。鉴于不动点中化学反应在合成领域中都的不可或缺性，对新型不动点中核糖体的注意到和探求在未来糖类以及分析化学方法中都将有着巨大的潜力。周佳海课题组的博士生蔡毓娟、汉道光帝课题组的博士后Yang Hai和Masao Ohashi并列学术著作第一作者。晶体透镜数据分别在上海光源BL17U1、BL18U1和BL19U1线站收集的。专家新浪戈惠明（上海交通大学环境科学学院副教授，国家政府优秀青年投资公司获得者）不动点中化学反应是一类在化学反应过程中都可转变成环中状化学分子结构的化学反应，在分析化学中都较强不可或缺的应用。在生物体中都，最近也注意到了一系列不动点中化学反应核糖体，如Claisen中间体化学反应核糖体，Cope中间体化学反应核糖体以及Diels-Alder化学反应的核糖体等，其中都以Diels-Alder化学反应核糖体被注意到的较多，研究相较透彻。在2017年，UCLA的汉道光帝课题组在对来源于曲霉菌的Leporin C顺利完成糖类研究时注意到，LepI尽管被注解为一个SAM依赖的中三基转移核糖体，然而却注意到可以同时中间体油脂化学反应、Diels-Alder、杂Diels-Alder以及自是Claisen中间体等化学反应，是一罕见的多机能不动点中化学反应核糖体。那么，机能如此多样的LepI是如何发挥中间体功用的，SAM在中间体过程中都发挥了什么功用，活命性之间是如何协调各步化学反应的关系的？这些问题仅有尚待解答。近日，中都国科学院上海有机化学研究室的周佳海课题组和UCLA的汉道光帝课题组携手揭示了LepI中间体的大分子机能。他们通过验证油脂化学反应的催化衍生物有机化合物1与LepI的共晶形态，解读了LepI立体胺类油脂的化学分子结构。同时，注意到LepI在中间体HDA的化学反应中都，由于酚上的侧链双烯自发翻转到有利于化学反应频发的右边，H133和R295通过转变成肽键平衡了化学分子结构，减少了化学反应能垒使得化学反应得以顺利完成。通过对LepI-SAM-1的亚基晶体形态顺利完成验证，注意到SAM在化学反应中都并很难与催化频发直接的功用而是转变成一个肽键网路，通过电弧中间体来发挥功用。通过验证有机化合物8与LepI的共晶形态同时为根基化学量度，确定LepI通过H133和R295的加成和电弧功用，活命化了自是Claisen中间体的催化，平衡了化学分子结构，从而中间体了该化学反应。通过对这两项中间体活命性的点突变，证实断定的机能是合理的。最后作者通过将LepI与O-中三基转移核糖体类大家族中都的其它核糖体顺利完成比较注意到，原来的中间体二联体His-Glu在LepI中都趋同成为Arg-Glu，这一变化使得LepI趋同为一个多机能的不动点中化学反应核糖体。不动点中化学反应核糖体由于高度的立体烷基化和高效的电子对方式在天然中间体糖类中都有不可或缺的功用。而LepI作为目前被路透社的非常罕见的多机能不动点中化学反应核糖体，对其中间体机能的明了阐述为未来必要性改造和利用奠定了根基。原始出处：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