Nucleophilic addition promoted ring rearrangement-aromatization in aza-/thio- sesquiterpenoid biosynthesis
- 作者
- Hengyi Xu, Xianyan Zhang, Yawen Zhang, Guowei Liu, Yinghan Chen, Xuewen Hou, Xiaolin Liu, Kaijin Zhang, Chuanteng Ma, Ruqian Feng, Juan Shen, Blaine A. Pfeifer, Qian Che, Tianjiao Zhu, Guojian Zhang
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-62075-4
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明eremophilane类倍半萜中由杂原子亲核加成引发的环重排-芳构化机制，并利用该机制实现氮杂/硫杂萜类化合物的生物合成。
研究策略
通过基因组挖掘鉴定jan基因簇，利用转录因子JanG过表达激活沉默基因簇，在构巢曲霉A1145中逐步异源重构janA-F基因，结合体外酶学反应、化学合成、DFT计算、分子对接和定点突变，解析farfugin A (1)和aza-janthinellin A (2a)的形成机理，并利用JanF的底物混杂性生产新的aza-/thio-萜类化合物。
核心内容
该研究通过基因组挖掘鉴定出来自詹氏青霉的jan基因簇，利用转录因子JanG过表达激活沉默基因簇，并在构巢曲霉A1145中异源重构janA-F基因，阐明了eremophilane类倍半萜中一种前所未有的芳构化机制。研究发现FAD依赖单加氧酶JanF实际作为脱氢酶，将烯丙醇氧化为α,β-不饱和醛，随后该醛中间体可被分子内或分子间的杂原子亲核加成启动，引发连续[1,2]-烷基迁移，最终完成环重排-芳构化。体外酶学和DFT计算表明关键步骤能垒为17.44和12.79 kcal/mol，L-苏氨酸与醛自发反应生成氮杂产物2a的最高能垒为19.0 kcal/mol。利用JanF的底物混杂性，研究成功合成了9个aza-janthinellins和7个thio-janthinellins，其中多个化合物具有显著活性：3a/3b/2l对K562癌细胞IC50为2.63-9.25 μM，3a/3c对鲍曼不动杆菌MIC为32/16 μM，3f/3g对金黄色葡萄球菌MIC为16/32 μM。该机制拓展了对芳香天然产物生物合成的认知，并为通过生物催化构建结构多样的氮杂/硫杂萜类药物先导提供了新途径。
创新点
① 发现了一种新的芳构化机制：分子内oxa/aza-亲核加成启动连续[1,2]-烷基迁移，导致环重排-芳构化；② 证明FAD依赖单加氧酶JanF实际作为脱氢酶将烯丙醇氧化为α,β-不饱和醛，并能引导后续亲核加成至C-8位；③ 利用JanF的混杂性合成了9个aza-janthinellins和7个thio-janthinellins，其中多个化合物具有显著抗癌和抗菌活性。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aspergillus nidulans A1145 | eremophilane倍半萜生物合成 | janA | JanA | 催化 | aristolochene合酶，催化FPP环化生成aristolochene骨架 |
| Aspergillus nidulans A1145 | eremophilane倍半萜生物合成 | janB | JanB | 催化 | 细胞色素P450酶，与JanC共同引入C-8羰基 |
| Aspergillus nidulans A1145 | eremophilane倍半萜生物合成 | janC | JanC | 催化 | 短链脱氢酶，参与C-8氧化 |
| Aspergillus nidulans A1145 | eremophilane倍半萜生物合成 | janD | JanD | 催化 | 细胞色素P450酶，催化C-13位氧化 |
| Aspergillus nidulans A1145 | eremophilane倍半萜生物合成 | janE | JanE | 催化 | 细胞色素P450酶，负责C6-7双键引入及环氧化 |
| Aspergillus nidulans A1145 | eremophilane倍半萜生物合成 | janF | JanF | 催化 | FAD依赖单加氧酶，实际为脱氢酶，氧化烯丙醇为α,β-不饱和醛并引导1,2-加成 |
| Penicillium janthinellum H7-4 | eremophilane倍半萜生物合成 | janG | JanG | 调控 | 途径特异性转录因子，过表达可激活沉默jan基因簇 |
关键发现
- JanF可氧化6的烯丙醇为α,β-不饱和醛10
- 10与L-苏氨酸自发反应生成2a，最高能垒19.0 kcal/mol。化合物8在pH 4下最优非酶转化为1和9，DFT显示关键步骤ΔG分别为+17.44和+12.79 kcal/mol。JanF突变H99A/Y158A/N273A显著降低2a产量。通过JanF与伯胺反应获得2b-j
- 与苯胺反应在无JanF时产生2k和2l，有JanF时主要产生2k。在AN/JanF中喂食8产生3a-g，其中3a/3b具有6/6/5/6五环硫杂吡喃骨架。3a、3b和2l对K562细胞IC50为2.63-9.25 μM
- 3a/3c对鲍曼不动杆菌MIC为32/16 μM，3f/3g对金黄色葡萄球菌MIC为16/32 μM
- 化合物7在斑马鱼模型中显示抗炎活性。
研究结论
本文揭示了一种前所未有的倍半萜芳构化机制，即杂原子亲核加成启动的环重排-芳构化，其中JanF作为脱氢酶和区域选择性引导物，将烯丙醇转化为活性醛并促进与伯胺或硫醇偶联。该机制不仅拓展了对芳香天然产物生物合成的理解，也为通过生物催化构建结构多样的氮杂/硫杂萜类药物先导化合物提供了新途径。