近日，中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室劉文課題組對c型硫肽Sch40832核心二氫咪唑并哌啶結構的生物合成機制進行了闡釋，相關成果發(fā)表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c05956）。
硫肽類抗生素是一類由微生物產(chǎn)生的核糖體肽類天然產(chǎn)物，大多具備良好的抗革蘭氏陽性菌活性，在針對細菌耐藥性研究方面得到越來越多的關注。硫肽類抗生素在結構上都包含唑雜環(huán)、脫水氨基酸以及一個以核心氮雜六元環(huán)為中心的大環(huán)。核心氮雜六元環(huán)是硫肽類抗生素的結構分類基礎。依據(jù)其氧化態(tài)和取代基差異，可以將硫肽類抗生素分為a，b，c，d和e五種類型。在形成機制上，核心氮雜六元環(huán)均起始于[4+2]環(huán)加成反應，而后通過脫水和加氫形成b型硫肽脫氫哌啶環(huán)，若繼續(xù)加氫則形成a型硫肽哌啶環(huán)；但若環(huán)加成后發(fā)生脫水和脫除前導肽，則會形成d型硫肽吡啶環(huán)，進一步羥化形成e型硫肽羥基吡啶環(huán)。目前，國際上對于a，b，d和e五種類型的硫肽生物合成途徑已有較多研究；但對于核心結構為最為復雜的二氫咪唑并哌啶的c型硫肽，還缺乏在形成機制方面的認知。
劉文課題組一直致力于硫肽類抗生素的生物合成機制研究，特別是在雙環(huán)硫肽成員的側環(huán)構筑方面取得了一些重要的研究成果（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 12105？12108; Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2016, 113, 14318-14323; Nat. Chem. Biol. 2011, 7, 154-60; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18186-18189; Org. Lett. 2019, 21, 1502-1505）。近期，該課題組對c型硫肽核心并環(huán)的生物合成機制進行了完整闡釋。通過基因組挖掘和基因功能的注釋與比較，課題組首先將負責Sch40832結構中并環(huán)形成的相關基因鎖定到schW（編碼NADPH依賴的還原酶）、schX（編碼甲基轉(zhuǎn)移酶）、schY（編碼P450酶）和schZ（編碼F420H2依賴的還原酶）四個基因。通過體內(nèi)異源表達技術，該課題組證實了這四個基因參與c型硫肽核心并環(huán)構建。進一步通過體外生化實驗，該課題組對并環(huán)的生物合成機制進行了證實：b型硫肽核心環(huán)首先被SchZ還原為a型硫肽核心環(huán)，緊接著在SchY催化下，哌啶與相鄰噻唑發(fā)生氧化重排形成并環(huán)，生成c型硫肽中間產(chǎn)物。SchX和SchW則分別對并環(huán)上的巰基和醛基進行甲基化和還原，以形成穩(wěn)定的成熟硫肽分子。這一工作拓展了硫肽類抗生素生物合成機制方面的研究，有望幫助和啟示硫肽類抗生素生物工程方面的研究，改造和創(chuàng)建新的硫肽類抗生素。
劉文課題組的在讀博士研究生程伯濤和郭恒高級實驗師為本文的共同第一作者。上述成果獲得了國家自然科學基金委、科技部、上海市科委和中科院等相關項目的大力資助。
圖：c型硫肽核心并環(huán)的酶學轉(zhuǎn)化機制
