JACS|揭示利血平生物合成過程中立體化學(xué)控制的酶學(xué)基礎(chǔ)
利血平是一個(gè)具有里程碑意義的天然產(chǎn)物,自1952年從印度蛇根木中分離以來,深刻影響了我們對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)生物學(xué)和心血管醫(yī)學(xué)的理解。作為經(jīng)典的降壓藥物,利血平復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征,包括獨(dú)特的C3β構(gòu)型和五個(gè)連續(xù)的手性中心,激發(fā)了包括R. B. Woodward在內(nèi)的數(shù)代合成化學(xué)家開發(fā)創(chuàng)新合成策略。然而,自然界中利血平生物合成的立體化學(xué)控制機(jī)制一直未被揭示。
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院江寅迪課題組在國際期刊Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了題為"Enzymatic Basis of Stereochemical Control in Reserpine Biosynthesis"的最新研究成果,首次闡明了利血平生物合成過程中立體化學(xué)控制的酶學(xué)基礎(chǔ)。
利血平屬于單萜吲哚生物堿大類,這一類天然產(chǎn)物包括著名的抗癌藥物長春堿、喜樹堿等,但它們?cè)贑3號(hào)位具有顯著的結(jié)構(gòu)差異。與其他已解析合成途徑的單萜吲哚生物堿不同,利血平具有獨(dú)特的C3β構(gòu)型,這使其成為合成化學(xué)的經(jīng)典挑戰(zhàn)。早在1960年,研究者通過同位素示蹤實(shí)驗(yàn)初步探索了利血平的生物合成,確認(rèn)色胺是利血平的合成前體,但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件,對(duì)于自然界如何精準(zhǔn)控制利血平C3β構(gòu)型和五個(gè)連續(xù)手性中心的構(gòu)建,仍然是個(gè)謎。
破解C3β構(gòu)型之謎
研究團(tuán)隊(duì)首先通過蘿芙木(Rauvolfia verticillata)轉(zhuǎn)錄組分析,確定了常見的單萜吲哚生物堿生物合成中間體異胡豆苷(1)是利血平合成的關(guān)鍵中間體。在此基礎(chǔ)上,他們鑒定出實(shí)現(xiàn)構(gòu)型翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵酶系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)從蘿芙木中鑒定出關(guān)鍵的黃素依賴性氧化酶RvYOO和NADPH依賴性還原酶RvDYR1。RvYOO能夠?qū)⒕哂蠧3α構(gòu)型的α-育亨賓(2)氧化生成亞胺中間體3,隨后RvDYR1立體專一性地還原這個(gè)中間體,最終生成具有C3β構(gòu)型的3-表-α-育亨賓(4)。
五個(gè)手性中心的構(gòu)建策略
為了解析五個(gè)連續(xù)手性中心的形成機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了每個(gè)催化步驟。他們發(fā)現(xiàn),前兩個(gè)手性中心直接來源于底物馬錢子苷,第三和第四個(gè)手性中心通過中鏈脫氫還原酶RvYOS的立體選擇性還原建立。最關(guān)鍵的第五個(gè)手性中心由細(xì)胞色素P450單加氧酶RvCYP71D820催化的C18羥基化反應(yīng)確立。
后期甲氧基化
與傳統(tǒng)化學(xué)合成在早期引入甲氧基不同,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)自然界采用了獨(dú)特的后期修飾策略。P450酶RvCYP72A270首先催化C11羥基化,隨后O-甲基轉(zhuǎn)移酶Rv11OMT完成甲基化修飾。這種后期官能團(tuán)化策略體現(xiàn)了生物合成與化學(xué)合成的本質(zhì)差異。
這項(xiàng)研究首次闡明了利血平生物合成中立體化學(xué)控制的酶學(xué)基礎(chǔ),解決了該領(lǐng)域長期存在的科學(xué)難題。發(fā)現(xiàn)的構(gòu)型翻轉(zhuǎn)機(jī)制在產(chǎn)單萜吲哚生物堿的植物中具有普遍性,為理解復(fù)雜天然產(chǎn)物的立體化學(xué)控制提供了重要范例。更重要的是,鑒定的酶學(xué)工具為代謝工程生產(chǎn)利血平及相關(guān)藥物化合物奠定了基礎(chǔ),有望通過合成生物學(xué)方法實(shí)現(xiàn)這些重要藥物的可持續(xù)生產(chǎn)。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院江寅迪研究員為論文通訊作者,江寅迪課題組助理研究員曹佳青為文章第一作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市科技重大專項(xiàng)以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

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圖1. 利血平的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

圖2. 本研究解析的利血平生物合成途徑
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