上海有機所在闡述新穎黃素依賴Diels-Alder[4+2]環(huán)加成酶的結(jié)構(gòu)和催化機制方面取得新進展
Diels-Alder（D-A）反應(yīng)是人們所最為熟知的有機人名反應(yīng)之一，并被廣泛地應(yīng)用于合成化學(xué)、藥物化學(xué)、材料化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)的研究中。人們基于路易斯酸活化以及氫鍵活化策略設(shè)計了不同的小分子催化劑以催化D-A反應(yīng)，同時還通過分子定向進化的方法篩選得到了能夠催化D-A反應(yīng)的RNA酶和DNA酶。但是長期以來，人們對于自然界中是否存在天然的能夠催化D-A反應(yīng)的酶這一問題以及其可能的催化機制，卻一直存在爭議。
在前期的研究工作中，中科院上海有機所生命有機國家重點實驗室劉文課題組在國際上發(fā)現(xiàn)了吡咯吲哚霉素（pyrroindomycin）的生物合成途徑中涉及到了兩步絕對酶依賴的D-A反應(yīng)，分別由PyrE3和PyrI4這兩個酶催化完成（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 17342-17345；Nat. Chem. Biol., 2015, 11, 259-265）；與中科院上海有機化學(xué)研究所生命有機國家重點實驗室潘李峰課題組合作，報道了首個非輔因子依賴的D-A酶PyrI4及其與小分子產(chǎn)物的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)（Cell Chem. Biol., 2016, 23, 352-360）?；谇捌诘难芯砍晒?，劉文課題組提出了天然D-A酶催化過程中的“過渡態(tài)模板作用”；為了實現(xiàn)這一作用，酶與小分子底物相互作用過程中會放出大量能量并發(fā)生三維構(gòu)象的變化，從而提供一個用于穩(wěn)定D-A反應(yīng)過渡態(tài)的完美反應(yīng)微環(huán)境（Curr. Opin. Chem. Biol., 2016, 31, 95-102）。
在本研究中劉文課題組與潘李峰課題組再次合作，解析了黃素FAD依賴的D-A酶PyrE3的晶體結(jié)構(gòu)，這也是國際上首個結(jié)構(gòu)被解析的黃素依賴D-A酶（Cell Chem. Biol., 2018, DOI: 10.1016/j.chembiol.2018.03.007）?；谒@得的晶體結(jié)構(gòu)，他們綜合使用分子對接模擬、生物信息學(xué)分析、氨基酸定點突變、光譜學(xué)分析等手段指出了PyrE3的催化空腔和FAD在催化過程中的作用。他們發(fā)現(xiàn)，與其他FAD依賴的加氧酶不同，PyrE3在催化反應(yīng)的過程中并不要求FAD發(fā)生氧化態(tài)的變化；FAD能夠穩(wěn)定蛋白的結(jié)構(gòu)，并通過與底物分子形成氫鍵來釋放結(jié)合能并穩(wěn)定其過渡態(tài)構(gòu)象。國際上先后有幾例輔因子（如腺苷甲硫氨酸等）依賴的D-A酶報道，但是這些輔因子在D-A酶催化過程中的作用并不明確。本研究的相關(guān)成果為今后人工設(shè)計、改造或開發(fā)協(xié)同反應(yīng)的生物大分子催化劑（尤其是輔因子依賴的蛋白）提供了重要的實驗基礎(chǔ)和理論方向，可能在未來的合成化學(xué)和合成生物學(xué)研究中發(fā)揮重要的作用。
劉文課題組的博士生鄭慶飛（已畢業(yè)）和潘李鋒課題組的博士生龔余康為本文的共同第一作者。上述研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、上海市科委、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）以及生命有機化學(xué)國家重點實驗室的大力資助。
黃素依賴蛋白Pyr3催化的DA-like[4+2]環(huán)加成反應(yīng)
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