硫原子的引入是自然界賦予天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣性和生物活性多樣性的重要手段。上海有機(jī)所劉文課題組長期致力于核糖體肽來源的富硫細(xì)菌環(huán)肽的生物合成研究。課題組先后解析了硫鏈絲菌素側(cè)環(huán)中的喹納酸（Proc. Natl. Acad. Sci. 2016, 113, 14318–14323 和 J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 12105–12108）、諾絲七肽側(cè)環(huán)中的甲基吲哚酸（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18186-18189 和 Org. Lett. 2019, 21, 1502-1505）、硫霉素結(jié)構(gòu)中的唑雜環(huán)（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8454–8463）和Sch40832 核心環(huán)中二氫咪唑并哌啶（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13790–13797）等非天然氨基酸結(jié)構(gòu)單元形成的酶學(xué)過程。
維里硫酰胺類核糖體肽通過抑制線粒體 ATP 合酶的活性，誘導(dǎo)線粒體損傷、引發(fā)細(xì)胞凋亡，是潛在的抗腫瘤藥物。家族成員分子以核糖體合成的前體肽為基礎(chǔ)，通過一系列復(fù)雜的翻譯后修飾，引入特征性的硫酰胺鍵和 C 末端的烯基硫醚大環(huán)體系。繼2-氨基乙烯基半胱氨酸（2-aminovinyl-cysteine，AviCys）的形成機(jī)制解析之后（Cell Chemical Biology. 2021, 28, 675-685），課題組最近報(bào)道了維里硫酰胺結(jié)構(gòu)中另一個(gè)非天然氨基酸－β-羥基-N,N-二甲基組氨酸（β-hydroxy-N,N-dimethyl-histidine，hdmHis）的生物合成過程。β-羥基-N,N-二甲基組氨酸單元未見于其它天然產(chǎn)物，為維里硫酰胺類核糖體肽所獨(dú)有。
課題組結(jié)合體內(nèi)基因敲除、大腸桿菌異源表達(dá)、體外生化測(cè)活和計(jì)算分析，詳細(xì)闡釋了 β-羥基-N,N-二甲基組氨酸的形成機(jī)制和生物合成邏輯。以組氨酸殘基為底物，該單元的形成依賴C 末端烯基硫醚大環(huán)體系的建立，嚴(yán)格按照N,N-雙甲化和β-羥基化的催化順序進(jìn)行。研究還對(duì)組氨酸官能團(tuán)化的特異性和與其它翻譯后修飾反應(yīng)的兼容性進(jìn)行了系統(tǒng)考察。
作為一種重要的翻譯后修飾手段，蛋白上組氨酸甲基化的發(fā)現(xiàn)已有50余年，相關(guān)的酶學(xué)機(jī)制、修飾程度和生物學(xué)功能近年來受到廣泛關(guān)注。目前所知的組氨酸甲基化，均為咪唑基團(tuán)上兩個(gè)氮原子中的一個(gè)發(fā)生的N-單甲基化反應(yīng)。本研究報(bào)道了第一例酶催化的組氨酸雙甲基化反應(yīng)。依賴于酮戊二酸的單加氧酶催化的組氨酸β-羥基化，同樣也是一種十分罕見的翻譯后修飾反應(yīng)。在一些非核糖體肽來源的天然產(chǎn)物的生物合成途徑中，類似的反應(yīng)雖有所報(bào)導(dǎo)，但多為其它機(jī)制的酶所催化。
相關(guān)研究加深了核糖體肽來源的天然產(chǎn)物及其相關(guān)翻譯后修飾機(jī)制方面的認(rèn)識(shí)。上述工作已經(jīng)在J. Am. Chem. Soc.上在線發(fā)表（doi.org/10.1021/jacs.1c11669），論文第一作者為有機(jī)所博士生胡玲，該工作得到國家自然科學(xué)基金委的資助。
圖 硫酰胺類分子組氨酸官能團(tuán)化和生物合成邏輯研究
