Nature Chemistry：揭示多功能周环酶LepI的催化化学键机制

在无机化学里面，分次芳基必需同时构建多个硅-硅/硅-精粒子键，并且往往具备很高的区外游离和立体游离。但在连续性界里面，催化剂分次芳基的激酶却只有少数被媒体报道过。分支硫变位激酶（chorismate mutase）、precorrin-8x七轮基变位激酶、SpnF和PyrI4等分次激酶的本体断定连续性趋同显现出了多种可以催化剂[4+2]内层加成芳基及其他分次芳基的蛋白质螺旋羧基，并且这些本体可以调控分次芳基的区外游离和立体游离。2017年，UCLA的五代庆亲王客座教授课题组媒体报道了一种S-乙酰七轮硫氨硫（SAM）依赖的多功能性分次激酶LepI，它既能催化剂精Diels-Alder（HDA）芳基，又能催化剂自是Claisen芳基芳基6。在没有人LepI不存在下，有机化合物2可以组织起来失水过渡到(E)-3和(Z)-4，并再进一步组织起来愈演愈烈分子内Diels-Alder芳基（IMDA）或HDA芳基分解成一系列的内层加成芳基副产物。而在LepI的催化剂下，2只能催化起着地失水过渡到(E)-3，并再进一步愈演愈烈HDA芳基过渡到单一副产物10，即Leporin C。LepI总称O-七轮基转移激酶表亲，但是它没有人七轮基转移激酶来时性。为什么该激酶可以立体游离地催化剂失水芳基、HDA芳基和自是Claisen芳基芳基？SAM的起着又是什么？为了问到这些问题，2019年7月21日，里面国科学院北京有机化学研究所的周佳海课题组和UCLA的五代庆亲王课题组总共同在Nature Chemistry精志上发表文章Structural Basis for Stereoselective Dehydration and Hydrogen-Bonding Catalysis by the SAM-Dependent Pericyclase LepI，解了高分辨率的LepI及其与有机化合物1、8、10的亚基结晶，并通过与UCLA的Kendall Houk课题组总共同推展理论近似值实习，全面性阐释了LepI催化剂的分子组态。在这些亚基本体里面，有机化合物1是作为失水芳基的位点N-来与LepI同步进行气态物理，目的是解释立体游离失水芳基机理；有机化合物10是HDA芳基和自是Claisen芳基芳基的副产物，其与LepI的亚基结晶可以用来比较芳基前后的羧基有否激发变动；exo副产物8作为endo副产物9的N-，其与LepI的亚基本体可运用于解释自是Claisen芳基芳基的机理。LepI蛋白质的母体本体通过碲粒子的单nm反常散射作法被解。在该本体里面，两分子的LepI以N端本体域两者之间藤蔓平行在一起，而C端本体域则是具备O-七轮基转移激酶表亲典型的Rossman螺旋这种激二级本体，且每分子的LepI建构一分子辅激酶SAM。突变体激酶来时测定物理属实了H133、R295和D296对催化剂来时性的这两项起着，建构LepI-SAM-1、LepI-SAM-8、LepI-SAM-10亚基本体以及对羧基亚基本体的近似值，该文提显现出LepI的催化剂组态很或许如下：1. 失水机理或许为E1-cb途径：这两项甘氨硫H133作为硫，去中间体醇上的4-OH，并且保持稳定反之亦然的负离子，而侧链上的羧基以反式总共平面的朝向离去，R295以及附近的碱性在线对此有促进起着。离开的化学键(W')或许暂时被这些残留物吞噬，并与硅N-保持碱性。LepI的失水起着是通过将硫和硫配置在反式构型和将平直的醇位点2固定在反之亦然的反式羧基里面来解决问题1，4-反式消除的。2. 在HDA芳基里面，由于醇内层上有多余的室内空间，所以侧链肟可组织起来转动到亦然芳基愈演愈烈的方位。背包周围的聚合起着和亲水起着有无对映游离解决问题的这两项。更是举足轻重的是，H133和R295可以作为碱性给体，起到了保持稳定羧基的起着，提高了反映能垒。3. 在之前的媒体报道里面，SAM里面的电场对激酶来时颇为举足轻重，这只不过了SAM或许具备电子元件催化剂的起着。电子元件催化剂是近期被注意到的一种催化剂作法。LepI的来时性背包是聚合的，碱性很低，少数的碱性甘氨硫可激发一个适合于的电场，使芳基物保持保持稳定适宜于芳基愈演愈烈的偏好，保持稳定羧基，提高能垒，促进芳基的愈演愈烈。虽然结晶里面SAM与位点并没有人必要沾染，但是SAM上的电场才会因素来时性背包的电场，可以据信SAM可以保持稳定比芳基物具备更是高偶极矩的羧基。4. 对于自是Claisen芳基芳基，有机化合物9已经保持保持稳定接近NAC（near-attack conformation）的羧基。将H133突变为Q或N，该芳基来时性大大下降，这概述H133极有或许是中间体的。建构近似值，据信LepI通过H133和R295的中间体和电子元件起着，来时化了自是Claisen芳基的位点，保持稳定了羧基，从而催化剂了该芳基。LepI-SAM-1、LepI-SAM-8和LepI-SAM-10亚基结晶里面的来时性背包。LepI-SAM-1亚基本体里面，醇上的羧基与H133有碱性起着，六元内层上的氮粒子和侧链上的羰基与R295、D296等甘氨硫及背包里面的化学键过渡到了一个碱性在线。值得注意的是，本体里面的肟侧链并没有人往内层朝向靠近，过渡到易于愈演愈烈DA芳基的羧基，而是催化剂里面的守住了内层上方的方位。对比三个亚基结晶可以看显现出，二者醇及苯内层的建构方位完全一致，碱性在线也基本相同相近，但R295的羧基愈演愈烈了较大的变异。在O-七轮基转移激酶类表亲里面，不存在着His-Glu催化剂二联体。而在LepI里面，His-Glu里面的His被Arg（R295）取代了。相比之下His，Arg是更是好的碱性给体，电子元件保持稳定起着也更是佳；且Arg硫性更是弱，更是容易停留在中间体的状态。这很或许就是LepI能催化剂分次芳基而不是七轮基转移芳基的这两项。该实习不仅拓展了我们对O-七轮基转移激酶类表亲的功能性理解，也让我们对SAM的起着有了最初认识到，同时也预示着SAM及依赖SAM的激酶在生物新陈代谢里面还有更是多最初起着和功能性等着研究者去注意到和探求。相比之下无机化学里面的催化剂剂，代谢里面的激酶往往具备更是高的立体催化起着和催化剂效率。鉴于分次芳基在催化领域里面的效用，对新型分次激酶的注意到和探求在未来代谢以及无机化学作法里面将有着极大的潜力。周佳海课题组的复旦大学蔡毓娟、五代庆亲王课题组的博士后Yang Hai和Masao Ohashi分列期刊第一著者。晶体偏振光信息分别在北京透射BL17U1、BL18U1和BL19U1线站收集的。专家点评戈惠明（复旦大学生命科学学院客座教授，各地区青年教师基金曾获）分次芳基是一类在芳基操作过程里面可过渡到内层状羧基的芳基，在无机化学里面具备举足轻重的应用。在糖类里面，近期也注意到了一系列分次芳基激酶，如Claisen芳基芳基激酶，Cope芳基芳基激酶以及Diels-Alder芳基的激酶等，其里面以Diels-Alder芳基激酶被注意到的极少，研究相对透彻。在2017年，UCLA的五代庆亲王课题组在对来源于曲霉菌的Leporin C同步进行代谢研究时注意到，LepI尽管被注释为一个SAM依赖的七轮基转移激酶，然而却注意到可以同时催化剂失水芳基、Diels-Alder、精Diels-Alder以及自是Claisen芳基等芳基，是一引人注目的多功能性分次芳基激酶。那么，功能性如此多样的LepI是如何发挥催化剂起着的，SAM在催化剂操作过程里面发挥了什么起着，来时性之间是如何协调各步芳基的关系的？这些问题除此以外有待解法。近日，里面国科学院北京有机化学研究所的周佳海课题组和UCLA的五代庆亲王课题组总共同揭示了LepI催化剂的分子组态。他们通过解失水芳基的位点N-有机化合物1与LepI的气态本体，解释了LepI立体游离失水的芳基机理。同时，注意到LepI在催化剂HDA的芳基里面，由于醇上的侧链肟组织起来转动到有亦然芳基愈演愈烈的方位，H133和R295通过过渡到碱性保持稳定了羧基，提高了芳基能垒使得芳基终于同步进行。通过对LepI-SAM-1的亚基结晶同步进行解，注意到SAM在芳基里面并没有人与位点愈演愈烈必要的起着而是过渡到一个碱性在线，通过电子元件催化剂来发挥起着。通过解有机化合物8与LepI的气态本体同时建构化学近似值，确定LepI通过H133和R295的中间体和电子元件起着，来时化了自是Claisen芳基的位点，保持稳定了羧基，从而催化剂了该芳基。通过对这两项催化剂来时性的点突变，属实据信的组态是合理的。最后著者通过将LepI与O-七轮基转移激酶类表亲里面的其它激酶同步进行比较注意到，原来的催化剂二联体His-Glu在LepI里面趋同成为Arg-Glu，这一变异使得LepI趋同为一个多功能性的分次芳基激酶。分次芳基激酶由于倾斜度的立体催化起着和高效的成键作法在天然副产物代谢里面有举足轻重的起着。而LepI作为现在被媒体报道的非常引人注目的多功能性分次芳基激酶，对其催化剂组态的直观说明了为今后再进一步新建和利用奠定了基础性。原始中有：Yujuan Cai, Yang Hai, Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson,et al.Structural basis for stereoselective dehydration and hydrogen-bonding catalysis by the SAM-dependent pericyclase LepI ,Nature Chemistry (2019) ,Published: 22 July 2019