上海有機所等在周環(huán)酶催化機制研究中取得進展

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來源：中國科學(xué)院

2019-07-31

中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生命有機化學(xué)國家重點實驗室周佳海課題組和美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）唐奕課題組合作，解析了高分辨率的LepI及其與底物類似物或產(chǎn)物4、5、6的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，并通過與UCLA的Kendall Houk課題組合作開展理論計算工作，系統(tǒng)地闡釋了LepI催化的分子機制。該工作于7月22日在線發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上。周佳海課題組的博士生蔡毓娟、唐奕課題組的博士后Yang Hai和Masao Ohashi并列為論文第一作者。

周環(huán)反應(yīng)在合成領(lǐng)域中非常重要，它能夠同時構(gòu)建多個碳-碳/碳-雜原子鍵，并且往往具有很高的區(qū)域選擇性和立體選擇性。而新型周環(huán)酶的發(fā)現(xiàn)及其催化機制的解析，對未來周環(huán)反應(yīng)的開發(fā)具有重大的推動意義。但在自然界中，催化周環(huán)反應(yīng)的酶卻鮮少報道。

2017年，唐奕課題組報道了一種S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依賴的多功能周環(huán)酶LepI，它既能催化雜Diels-Alder（HDA）反應(yīng)，又能催化逆Claisen重排反應(yīng)（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23882）。LepI屬于O-甲基轉(zhuǎn)移酶家族，但是它卻沒有甲基轉(zhuǎn)移酶活性。為什么該酶可以立體選擇性地催化脫水反應(yīng)、HDA反應(yīng)和逆Claisen重排反應(yīng)？SAM的作用又是什么？為了回答這些問題，周佳海課題組和唐奕課題組、Kendall Houk課題組合作，進行了深入研究。

LepI蛋白的母體結(jié)構(gòu)通過硒的單波長散射方法被解析。在該結(jié)構(gòu)中，兩分子的LepI以N端結(jié)構(gòu)域互相纏繞交錯在一起，而C端結(jié)構(gòu)域則是具有O-甲基轉(zhuǎn)移酶家族典型的Rossman折疊這種超二級結(jié)構(gòu)，且每分子的LepI結(jié)合一分子輔酶SAM。結(jié)合LepI與4、5、6復(fù)合物結(jié)構(gòu)以及對過渡態(tài)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的計算和生化實驗，該文提出LepI在催化脫水反應(yīng)過程中，H133作為堿對吡啶酮上的羥基攫氫，R295以及附近的氫鍵網(wǎng)絡(luò)促進了這一反應(yīng)。而在HDA反應(yīng)和逆Claisen重排反應(yīng)中，SAM、H133和R295以及活性口袋中的其他極性殘基協(xié)同作用，產(chǎn)生一個合適的電場，使反應(yīng)物處于適宜反應(yīng)發(fā)生的取向，穩(wěn)定過渡態(tài)，降低能壘，實現(xiàn)靜電催化，促進反應(yīng)的發(fā)生。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)B項目、上海市科委國際合作項目以及上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項目的資助。

圖2 LepI催化的脫水反應(yīng)、HDA反應(yīng)和逆Claisen反應(yīng)以及晶體結(jié)構(gòu)中所使用的底物類似物