2022年2月23日，中國醫學科學院藥物研究所天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室胡友財團隊在《Journal of the American Chemical Society》在線發表了題為“Flavin-dependent Monooxygenase Mediated 1,2-oxazine Construction via Meisenheimer Rearrangement in the Biosynthesis of Paeciloxazine”的研究論文，報道了天然產物中1,2-噁嗪環形成的生物合成酶及酶促機制，發現酶介導的[1,2]-邁森海默（[1,2]-Meisenheimer）重排反應。
[1,2]-Meisenheimer重排被廣泛用于天然產物合成中，尤其是用于構建1,2-噁嗪環，但對應的生物合成酶鮮有報道。為此，胡友財團隊利用異源表達、體外生化實驗等鑒定了具有1,2-噁嗪環的真菌天然產物paeciloxazine的生物合成基因簇pax，以及催化形成1,2-噁嗪環的黃素依賴的單加氧酶PaxA。在此基礎上，該團隊通過體外生化實驗、alphafold2蛋白結構預測、分子對接和分子動力學模擬、活性位點定向突變和DFT計算等實驗，提出了PaxA催化形成1,2-噁嗪環的酶促機制：底物在PaxA的作用下先形成N-氧化合物，隨后經過[1,2]-Meisenheimer重排形成1,2-噁嗪環。研究發現該酶接待的[1,2]-Meisenheimer重排反應并不是經歷傳統意義上的自由基機制，而是一個類似離子對的協同機制。N-氧化物的氧負離子攻擊?-H生成亞胺中間體，在質子轉移劑（如精氨酸的胍基）存在時轉化為1,2-噁嗪環。該研究揭示了催化形成1,2-噁嗪環的酶促機制，擴展了生物合成中重排反應的種類，為利用基因組挖掘發現含有1,2-噁嗪環的天然產物提供了新的策略。研究中還實現了天然產物paeciloxazine在模式真菌中的異源生物合成，為該類化合物的綠色獲取提供新途徑。
圖：A.PaxA與底物5的分子對接結果；B.FAD、底物5與R202之間的相對位置；C.PaxA催化1,2-噁嗪環的酶促機制
藥物研究所胡友財研究員為通訊作者，博士生王坤雅、助理研究員閆道江和劉冰語，以及北京生命科學研究所的博士生白松霖為共同第一作者。北京生命科學院齊湘兵團隊在DTF計算和分子動力學模擬等方面提供支持。該工作得到了國家自然科學基金(22107122)和中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程(2021-I2M-1-029)等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c00881
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