Nature Chemistry：阐述多功能周环酶LepI的催化分子机制

在无机化学里，分步化学反应能够同时重构多个硫-硫/硫-聚粒子键，并且往往带有很高的区域抑制和立体抑制。但在有机体里，催化反应分步化学反应的核糖体却只有少数被报道过。分支酸词形变化核糖体（chorismate mutase）、precorrin-8x大板基词形变化核糖体、SpnF和PyrI4等分步核糖体的骨架表明其本质形态造出了多种可以催化反应[4+2]环中加成化学反应及其他分步化学反应的细胞内接合顺式，并且这些骨架可以调控分步化学反应的区域抑制和立体抑制。2017年，UCLA的五代雍正帝博士课题组报道了一种S-腺苷大板硫氨酸（SAM）依赖于的多功用分步核糖体LepI，它既能催化反应聚Diels-Alder（HDA）化学反应，又能催化反应后下Claisen芳基化学反应6。在没有LepI存在下，化合物2可以自发油脂演化成(E)-3和(Z)-4，并进一步自发起因分子会内Diels-Alder化学反应（IMDA）或HDA化学反应生成一系列的环中加成化学反应硝酸盐。而在LepI的催化反应下，2才会专一性地油脂演化成(E)-3，并进一步起因HDA化学反应演化成单一硝酸盐10，即Leporin C。LepI属于O-大板基移到核糖体大家族，但是它没有大板基移到核糖体来生性。为什么该核糖体可以立体抑制地催化反应油脂化学反应、HDA化学反应和后下Claisen芳基化学反应？SAM的效用又是什么？为了问道这些原因，2019年7月21日，里国科学院上海有机化学深入研究所的周佳海课题组和UCLA的五代雍正帝课题组合作伙伴在Nature Chemistry聚志上发表文章Structural Basis for Stereoselective Dehydration and Hydrogen-Bonding Catalysis by the SAM-Dependent Pericyclase LepI，判别了高精度的LepI及其与化合物1、8、10的亚基晶格骨架，并通过与UCLA的Kendall Houk课题组合作伙伴组织起来论点计数工作，系统地阐释了LepI催化反应的分子会的系统。在这些亚基骨架里，化合物1是作为油脂化学反应的丝氨酸N-来与LepI透过钕科学深入研究，目的是解释立体抑制油脂化学反应机理；化合物10是HDA化学反应和后下Claisen芳基化学反应的硝酸盐，其与LepI的亚基晶格骨架可以用来比较化学反应前后的顺式是否造成了改变；exo硝酸盐8作为endo硝酸盐9的N-，其与LepI的亚基骨架可用做解释后下Claisen芳基化学反应的机理。LepI细胞内的有机体骨架通过溴粒子的单波长反常散射方式被判别。在该骨架里，两分子会的LepI以N端骨架域互相缠绕交错在一起，而C端骨架域则是带有O-大板基移到核糖体大家族典型的Rossman接合这种激二级骨架，且每分子会的LepI联结与此相反辅核糖体SAM。突变体核糖体来生测定科学深入研究断定了H133、R295和D296对催化反应来生性的这两项效用，联结LepI-SAM-1、LepI-SAM-8、LepI-SAM-10亚基骨架以及对自由基亚基骨架的计数，该文提造出LepI的催化反应的系统很意味著如下：1. 油脂机理意味著为E1-cb途径：这两项残基H133作为碱，去环化醇上的4-OH，并且有利于附加的烯酯，而侧碱基上的羟基以环己烷共有平面的一段距离抛下，R295以及靠近的苯环网络平台对此有促进效用。离开的水分子会(W')意味著不得不被这些残留物困住，并与硫酰胺保持稳定苯环。LepI的油脂效用是通过将酸和碱配置在环己烷顺式和将线型的酯丝氨酸2固定在附加的环己烷顺式里来借助1，4-环己烷消除的。2. 在HDA化学反应里，由于醇环中上有多余的空间，所以侧碱基炔烃可自发旋转轴到利于化学反应起因的位置。钳子远处的以外匀分布效用和亲水效用也就是说对映抑制借助的这两项。更加这两项性的是，H133和R295可以作为苯环给体，充分发挥了有利于自由基的效用，增高了反映能垒。3. 在之前的报道里，SAM里的正电荷对核糖体来生极度这两项性，这暗示了SAM意味著带有自由电子催化反应的效用。自由电子催化反应是不太可能被发掘造出的一种催化反应方式。LepI的来生性钳子是以外匀分布的，极性较低，少数的极性残基可造成了一个合适的电场，使化学反应物处于适宜化学反应起因的趋向于，有利于自由基，增高能垒，促形态学反应的起因。虽然晶格骨架里SAM与丝氨酸并没有直接接触，但是SAM上的正电荷会影响来生性钳子的电场，可以推断造出SAM可以有利于比化学反应物带有很低物理性质的自由基。4. 对于后下Claisen芳基化学反应，化合物9已经处于相对于NAC（near-attack conformation）的顺式。将H133突变为Q或N，该化学反应来生性大大下降，这说明H133极有意味著是环化的。联结计数，推断造出LepI通过H133和R295的环化和自由电子效用，来生化了后下Claisen芳基的丝氨酸，有利于了自由基，从而催化反应了该化学反应。LepI-SAM-1、LepI-SAM-8和LepI-SAM-10亚基晶格骨架里的来生性钳子。LepI-SAM-1亚基骨架里，醇上的羟基与H133有苯环效用，六元环中上的氧粒子和侧碱基上的羰基与R295、D296等残基及钳子里的水分子会演化成了一个苯环网络平台。值得注意的是，骨架里的炔烃侧碱基并没有往环中一段距离靠近，演化成并能起因DA化学反应的顺式，而是溶剂里的夺取了环中上方的位置。对比三个亚基晶格骨架可以窥见，二者醇及苯环中的联结位置不尽相同，苯环网络平台也基本特征类似，但R295的顺式起因了较多的变化。在O-大板基移到核糖体类大家族里，存在着His-Glu催化反应二联体。而在LepI里，His-Glu里的His被Arg（R295）取代了。相比His，Arg是更加好的苯环给体，自由电子有利于效用也更加佳；且Arg盐类更加弱，更加容易驻留在环化的状况。这很意味著就是LepI能催化反应分步化学反应而不是大板基移到化学反应的这两项。该工作不仅开拓了我们对O-大板基移到核糖体类大家族的功用认知，也让我们对SAM的效用有了新认识，同时也预示着SAM及依赖于SAM的核糖体在有机体新陈代谢里还有更加多新效用和功用等着科学家去发掘造出和探索。相比无机化学里的催化反应剂，糖类里的核糖体往往带有很低的立体专一性和催化反应效率。鉴于分步化学反应在化学合成领域里的这两项性性，对新型分步核糖体的发掘造出和探索在未来糖类以及无机化学方式里将有着相当大的潜力。周佳海课题组的博士生蔡毓娟、五代雍正帝课题组的博士后Yang Hai和Masao Ohashi并列专著第一作者。晶格折射数据分别在上海透镜BL17U1、BL18U1和BL19U1线站收集的。专家点评戈惠明（南京大学其本质科学学院博士，发达国家优秀青年基金获得者）分步化学反应是一类在化学反应每一次里可演化成环中状自由基的化学反应，在无机化学里带有这两项性的应用。在有机体体里，不太可能也发掘造出了一系列分步化学反应核糖体，如Claisen芳基化学反应核糖体，Cope芳基化学反应核糖体以及Diels-Alder化学反应的核糖体等，其里以Diels-Alder化学反应核糖体被发掘造出的多数，深入研究相对深入深入研究。在2017年，UCLA的五代雍正帝课题组在对来源于曲霉菌的Leporin C透过糖类深入研究时发掘造出，LepI尽管被批注为一个SAM依赖于的大板基移到核糖体，然而却发掘造出可以同时催化反应油脂化学反应、Diels-Alder、聚Diels-Alder以及后下Claisen芳基等化学反应，是一少见的多功用分步化学反应核糖体。那么，功用如此多样的LepI是如何发挥催化反应效用的，SAM在催化反应每一次里发挥了什么效用，来生性彼此间是如何协调各步化学反应的人关系的？这些原因以外尚待解答。近来，里国科学院上海有机化学深入研究所的周佳海课题组和UCLA的五代雍正帝课题组合作伙伴揭示了LepI催化反应的分子会的系统。他们通过判别油脂化学反应的丝氨酸N-化合物1与LepI的钕骨架，解释了LepI立体抑制油脂的化学反应机理。同时，发掘造出LepI在催化反应HDA的化学反应里，由于醇上的侧碱基炔烃自发旋转轴到有利于化学反应起因的位置，H133和R295通过演化成苯环有利于了自由基，增高了化学反应能垒使得化学反应得以透过。通过对LepI-SAM-1的亚基晶格骨架透过判别，发掘造出SAM在化学反应里并没有与丝氨酸起因直接的效用而是演化成一个苯环网络平台，通过自由电子催化反应来发挥效用。通过判别化合物8与LepI的钕骨架同时联结化学计数，确定LepI通过H133和R295的环化和自由电子效用，来生化了后下Claisen芳基的丝氨酸，有利于了自由基，从而催化反应了该化学反应。通过对这两项催化反应来生性的点突变，断定推断造出的的系统是合理的。最后作者通过将LepI与O-大板基移到核糖体类大家族里的其它核糖体透过比较发掘造出，原来的催化反应二联体His-Glu在LepI里形态成为Arg-Glu，这一变化使得LepI形态为一个多功用的分步化学反应核糖体。分步化学反应核糖体由于高度的立体专一性和高效的成键方式在天然硝酸盐糖类里有这两项性的效用。而LepI作为目前被报道的极其少见的多功用分步化学反应核糖体，对其催化反应的系统的清晰详述为今后进一步改造和利用确立了基础。原始典故：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