Diversification of Monoterpene Indole Alkaloid Analogs through Cross-Coupling
- 作者
- Weerawat Runguphan, Sarah E. O'Connor
- 单位
- The John Innes Centre, Department of Biological Chemistry; The University of East Anglia, School of Chemistry; Massachusetts Institute of Technology, Department of Chemistry
- 杂志
- Organic Letters（2013）
- DOI
- 10.1021/ol401179k
- 所属领域
- 合成生物学 / 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过组合生物合成与化学衍生策略，生成更多样化的单萜吲哚生物碱类似物，以改善或发现新的药用性质。
研究策略
利用诱变合成（mutasynthesis）或原核卤化酶在长春花毛状根培养中引入氯/溴原子作为化学手柄，再将含卤代生物碱的粗提物直接用于Pd催化的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应，生成芳基/杂芳基类似物。
核心内容
本研究发展了一种将生物合成与化学偶联相结合的策略，用于多样化长春花单萜吲哚生物碱类似物。作者在长春花毛状根培养中通过三种途径引入卤素手柄：在TDC沉默毛状根中饲喂0.6 mM 7-氯或7-溴色胺获得12-卤代-19,20-二氢akuammicine；表达原核卤化酶RebH/RebF的毛状根同样产生7-氯类似物；而表达突变型异胡豆苷合酶V214M的毛状根在饲喂6-氯色胺后获得11-氯取代的akuammicine和tabersonine。这些含卤生物碱的粗提物无需纯化即可直接用于钯催化的Suzuki-Miyaura交叉偶联反应，在5 mol% Pd(OAc)2、Sphos配体和K3PO4条件下于10-60分钟内与多种芳基/杂芳基硼酸顺利反应，生成相应的12-芳基或11-芳基类似物（如12-苯基产物m/z 401）。从16 g鲜重毛状根出发，经放大反应和HPLC纯化可得到毫克级产物。该化学遗传学方法有效拓展了植物生物碱的结构多样性，为其他天然产物的理性修饰和药物开发提供了可行途径。
创新点
1) 将生物合成引入卤素与化学偶联结合；2) 无需纯化粗提物即可进行交叉偶联反应；3) 利用突变型strictosidine synthase（V214M）拓宽底物特异性，实现6位取代。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Catharanthus roseus 毛状根培养（TDC沉默型） | 单萜吲哚生物碱生物合成 | TDC | 色氨酸脱羧酶 | 催化 | 通过RNAi沉默以抑制内源色胺合成，用于mutasynthesis饲喂卤代色胺前体 |
| Catharanthus roseus 毛状根培养（表达突变STR V214M） | 单萜吲哚生物碱生物合成 | STR | 异胡豆苷合酶（V214M突变体） | 催化 | 突变体可接受6-氯色胺底物，生成6位氯代生物碱 |
| Catharanthus roseus 毛状根培养（表达RebH/RebF） | 单萜吲哚生物碱生物合成（卤化修饰） | rebH | RebH（色氨酸卤化酶） | 催化 | 来自原核生物的7-卤化酶，在吲哚环7位引入氯 |
| Catharanthus roseus 毛状根培养（表达RebH/RebF） | 单萜吲哚生物碱生物合成（卤化修饰） | rebF | RebF（黄素还原酶） | 能量供给 | 为RebH提供还原型黄素（FADH2）辅助卤化反应 |
关键发现
- 在TDC沉默毛状根中饲喂0.6 mM 7-氯色胺或7-溴色胺，获得12-氯/溴-19,20-二氢akuammicine
- 粗提取物与6种芳基/杂芳基硼酸在5 mol% Pd(OAc)2、Sphos、K3PO4、正丁醇、100°C条件下于10-60 min内完成偶联，小规模反应在<1h、90°C下完成，生成相应12-芳基类似物（如12-苯基产物m/z 401）
- 表达原核卤化酶RebH/RebF的毛状根也能产生7-氯类似物并成功偶联
- 利用表达突变STR(V214M)的毛状根饲喂0.6 mM 6-氯色胺，获得11-氯-19,20-二氢akuammicine、11-氯akuammicine和11-氯tabersonine，粗提物可与除4-羧基苯硼酸外的所有测试硼酸反应
- 从16 g鲜重毛状根的粗提物经放大反应和HPLC纯化，获得毫克级产物。
研究结论
化学遗传学方法（mutasynthesis/前体定向生物合成引入卤素，再经Suzuki-Miyaura偶联）可有效生成多种长春花单萜吲哚生物碱类似物，并可放大至毫克级，有望用于其他植物天然产物的理性修饰和药物开发。