2020年5月26日，Nature Chemistry在線發(fā)表中國醫(yī)學科學院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實驗室、北京大學化學與分子工程學院以及中國中醫(yī)科學院中藥資源中心合作完成的題為FAD-dependent Enzyme-catalysed Intermolecular [4+2] Cycloaddition in Natural Product Biosynthesis 的研究論文，報道了自然界中首例催化分子間[4+2]環(huán)加成反應、單功能Diels-Alderase（環(huán)化酶）。
Diels-Alder反應是一種共軛二烯體和親二烯體之間的協(xié)同[4+2]環(huán)加成反應，為有機合成化學中選擇性構(gòu)筑碳-碳鍵及復雜碳環(huán)的重要方法之一。Diels-Alder反應存在于眾多天然產(chǎn)物生物合成過程中，造就了天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及生物活性的多樣性，相關(guān)Diels-Alderase一直引起科學家的高度關(guān)注。目前報道的Diels-Alderase多為催化分子內(nèi)Diels-Alder反應、多功能酶，且多來源于微生物，而來源于植物、催化分子間Diels-Alder反應的單功能Diels-Alderase尚無報道。植物源天然產(chǎn)物生物合成相關(guān)基因往往不成簇，已報道的Diels-Alderase多分屬不同酶家族、無系統(tǒng)進化上的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)困難。
該研究基于酶活性的蛋白分離純化、蛋白質(zhì)組及轉(zhuǎn)錄組學、生物合成中間體探針 (biosynthetic intermediate probe)等多技術(shù)相結(jié)合，從桑培養(yǎng)細胞中發(fā)現(xiàn)并鑒定了一FAD依賴的單加氧酶MaDA，能高效、嚴格立體選擇性地催化分子間[4+2]環(huán)加成反應形成典型的環(huán)己烯結(jié)構(gòu)單元，且對二烯體及親二烯體均具較寬的底物譜；同時鑒定了另一FAD依賴的單加氧酶MaMO能催化異戊烯基氧化形成二烯體，二者共同完成了桑中chalcomoracin等異戊烯黃酮類Diels-Alder加合物生物合成關(guān)鍵反應(圖1)。密度泛函理論計算(DFT)及動力學同位素效應(KIE)實驗顯示該反應為協(xié)同、非同步的周環(huán)反應，結(jié)構(gòu)生物學結(jié)合定點突變闡明了[4+2]環(huán)加成反應過程中底物與酶之間相互作用的分子機理。MaDA為自然界中首例催化分子間[4+2]、單功能Diels-Alderase，它的發(fā)現(xiàn)不僅揭示了桑中Diels-Alder加合物生物合成途徑中關(guān)鍵反應的酶學機制，而且為天然產(chǎn)物生物合成未知關(guān)鍵酶的發(fā)現(xiàn)提供了借鑒，同時還為結(jié)構(gòu)多樣藥用天然產(chǎn)物高效立體選擇性酶化學法合成提供了強有力工具。
圖1. MaDA高效立體選擇性催化[4+2]環(huán)加成反應生成DA加合物Chalcomarocin
中國醫(yī)學科學院藥物研究所天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點實驗室戴均貴研究員、北京大學化學與分子工程學院雷曉光教授以及中國中醫(yī)科學院中藥資源中心黃璐琦研究員為該文的共同通訊作者；雷曉光和戴均貴課題組聯(lián)合培養(yǎng)博士生高磊、戴均貴課題組博士生蘇聰、雷曉光課題組博士后杜曉霞和中國中醫(yī)科學院助理研究員王瑞杉為該文的并列第一作者。美國加州大學洛杉磯分校K.N. Houk教授、北京生命研究所黃牛及陳涉教授、日本北海道大學H. Oikawa教授及帝京平成大學M. Shimazaki教授研究組參與了該項研究。該工作得到了國家重大專項“重大新藥創(chuàng)制”、國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、中國醫(yī)學科學院醫(yī)學與健康科技創(chuàng)新工程（項目編號：2016-I2M-3-012）、名貴中藥資源可持續(xù)利用能力建設(shè)項目等基金的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-020-0467-7
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