南京大學(xué)譚仁祥和戈惠明研究組揭示抗腫瘤分子chartreusin形成的氧化重排機制
由細菌合成的多環(huán)芳香聚酮類化合物是抗腫瘤、抗菌藥物的重要來源，典型的例子包括阿霉素、四環(huán)素等。這類分子的基本碳骨架大多由細菌的II型聚酮合成酶（Type II PKS）負責(zé)構(gòu)建，但后期的各類氧化重排反應(yīng)是此類分子結(jié)構(gòu)和生物活性多樣性的關(guān)鍵，理解氧化重排的酶學(xué)機制，對于它們的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)效關(guān)系的研究至關(guān)重要。Chartreusin是一種從放線菌中發(fā)現(xiàn)的強效抗腫瘤候選藥物，它可與DNA結(jié)合，通過自由基斷裂DNA，進而誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡。盡管Chartreusin的生物合成基因簇早在2005年就已被德國科學(xué)家Christian Hertweck研究組克隆鑒定，但其具體的合成步驟特別是關(guān)鍵的氧化重排反應(yīng)依然不明。?
近日，南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)國家重點實驗室的戈惠明和譚仁祥研究團隊揭示了chartreusin生物合成末期的一關(guān)鍵的氧化重排反應(yīng)的酶學(xué)機制。該研究成果以Molecular Basis for the Final Oxidative Rearrangement Steps in Chartreusin Biosynthesis于2018年8月1日在線發(fā)表于《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society），論文鏈接為http://dx.doi.org/10.1021/jacs.8b06623??。?
研究人員從一高產(chǎn)chartreusin的海洋放線菌出發(fā)，通過對其生物合成相關(guān)基因的敲除，合成中間體的分離、鑒定，化學(xué)回補以及異源生物轉(zhuǎn)化等方法，確定了五環(huán)鄰醌化合物（2?）為關(guān)鍵中間體，并且從2?到最終產(chǎn)物chartreusin（1?）的轉(zhuǎn)化是由一雙加氧酶（dioxygenase）ChaP介導(dǎo)的。?
然而，在體外反應(yīng)中，ChaP蛋白卻未能將化合物2?轉(zhuǎn)化為化合物1?。分析顯示，ChaP屬于Vicinal Oxygen Chelate（VOC）蛋白超家族，該超家族的蛋白功能多樣，其中catechol 2,3-dioxygenase可催化兒茶酚上與酚羥基相鄰的碳碳鍵的斷裂，研究人員推測，ChaP很有可能與catechol 2,3-dioxygenase催化反應(yīng)的斷鍵方式類似，但不同點在于：兒茶酚化合物比鄰苯醌化合物多了2個電子。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)ChaP的催化需要黃素（FAD）和黃素還原酶（flavin reductase）的參與，即需要黃素活化的氧（Fl-OOH）而非普通的氧氣作為此反應(yīng)的氧化劑，但有趣的是，ChaP未能預(yù)測出黃素的結(jié)合位點。?
為進一步研究該反應(yīng)的催化機理，研究人員獲得了ChaP蛋白的晶體，經(jīng)分子對接和點突變實驗，闡明了此類新型氧化酶的反應(yīng)機制，即：底物2?中的兩個酮羰基與ChaP中的二價鐵結(jié)合后，FAD活化的過氧化氫進入活性中心，斷裂C-C鍵，生成IV?；緊接著，另一分子過氧化氫進入活性中心，發(fā)生第二次C-C鍵斷裂，放出一份子二氧化碳，并關(guān)環(huán)形成最終產(chǎn)物1?。??
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南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生王以爽和助理研究員張博是該論文的共同第一作者，南京大學(xué)戈惠明教授、譚仁祥教授和南京中醫(yī)藥大學(xué)朱家鵬教授是論文的共同通訊作者；主要合作者包括：上?？萍即髮W(xué)趙素文教授，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院梁勇教授、劉芳博士，以及中國科學(xué)院熱帶農(nóng)業(yè)研究院的黃慧琴教授等。該工作得到國家自然科學(xué)基金委優(yōu)青項目、重點項目、面上項目以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等的資助，在此表示感謝。
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