有機所唐功利組ACS,Catal,|,揭示非典型四環素類化合物D環的多步還原後修飾過程

四環素類抗生素是應用最為廣泛的廣譜抗生素之一,它們在臨床上的使用已超過60年。除了光神黴素類化合物,它們是由四環素中間體經過氧化開環得到的,四環素D環的α,β-不飽和酮結構是較少被修飾的。上海有機化學研究所唐功利課題組在2019年發現了一系列非典型的四環素類化合物,它們的D-環被不同程度的還原。

摘要

四環素類抗生素是應用最為廣泛的廣譜抗生素之一,它們在臨床上的使用已超過60年。它們的結構多種多樣,但其D環中的α,β-不飽和酮結構是較為保守的。除了光神黴素類化合物,它們是由四環素中間體經過氧化開環得到的,四環素D環的α,β-不飽和酮結構是較少被修飾的。上海有機化學研究所唐功利課題組在2019年發現了一系列非典型的四環素類化合物(4-11)(詳見往期推薦1),它們的D-環被不同程度的還原。近期,該課題組成功解析了高度還原D環的生物合成途徑,並且通過同位素標記實驗對酶催化機制進行了一定的闡釋。

內容

首先,作者發現TjhO5可以成功將底物15轉化為兩個新的產物,這兩個化合物雖然質譜數據與所推測的產物4相同但保留時間並不相同。為了進一步探究該反應,作者通過大量酶活測試成功分離得到其中的主要產物16,並鑒定了16的化學結構。16的ABC環與15相同但其C-10的羰基被還原為CH2,而且C-7比特羥基構型發生了翻轉。該結果說明形成最終的產物應該需要更多的酶參與後續的還原反應。

通過生物資訊學分析,作者認為還原異構酶TjhD4很可能是參與後續反應的酶。體外初步酶活測試發現TjhD4確實可以將中間體16轉化為D環完全還原的產物8和17。但是8和17均為野生型菌株發酵液中的次要產物,在該酶活體系中並未檢測到主要骨架4。有趣的是,作者在TjhD4和TjhO5的一鍋法體外酶催化實驗中成功檢測到了微量的產物4,且4的產量隨著TjhO5的减少大幅度提升。該結果表明,只有TjhO5和TjhD4同時存在時才可以產生4,且過量的TjhO5可能會消耗4。接下來作者將TjhO5與化合物4孵育,發現TjhO5確實可以將4進一步還原為8和17。上述實驗結果表明,從15到完全還原的8和17可以經過兩個不同的生物合成途徑(A和B)。途徑A中TjhO5可以還原16的C-10比特羰基且催化C7比特羥基構型反轉得到中間體16,16可以被TjhD4進一步還原異構為8和17。途徑B中TjhO5和TjhD4共同還原15可得到4,4再經過TjhO5的還原得到最終的化合物。

為了進一步探究酶催化的機制,作者用不同的葡萄糖脫氫酶的迴圈體系確定了TjhO5和TjhD4分別作用於C-10比特和C-8比特。接下來,在H218O和D2O實驗中,作者發現A和B途徑的酶催化機制並不相同,而且TjhO5還原羰基過程中存在一種特殊的脫氧機制,其C-10比特脫氧可能是通過氧轉移來實現的。

總結

作者在體外成功解析了四環素類化合物D環的還原性修飾。該多步還原過程需要TjhO5和TjhD4兩個酶的共同參與。TjhO5首先還原15的羰基形成18,當TjhD4不存在時,TjhO5再次還原18形成16;16可被TjhD4轉化為最終的化合物8和17。在這一過程中,TjhO5可以單獨實現羰基的還原,羥基的脫除以及異構三個步驟。而TjhD4與TjhO5同時存在時,18則會立刻被TjhD4轉化為4,4再最終被TjhO5還原為最終化合物。該工作可能對未來的生物催化,還原酶的功能預測,基因組挖掘等有一定的啟示性。本文通訊作者為中國科學院上海有機化學研究所唐功利研究員,第一作者為上海有機化學研究所助理研究員聶秋玥。該工作得到國家自然科學基金委和科學院先導B等項目的支持。

原文刊載於【遇見生物合成】公眾號

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本文標題: 有機所唐功利組ACS,Catal,|,揭示非典型四環素類化合物D環的多步還原後修飾過程
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