Terpenoid Biosynthesis Off the Beaten Track: Unconventional Cyclases and their Impact on Biomimetic Synthesis
- 作者
- Martin Baunach, Jakob Franke, Christian Hertweck
- 单位
- Friedrich Schiller University Jena; Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology (HKI)
- 杂志
- Angewandte Chemie International Edition（2015）
- DOI
- 10.1002/anie.201407883
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
系统总结近年来发现的非经典萜类环化酶（TCs），这些酶在蛋白结构和催化机制上不同于经典的I类和II类TCs，挑战了传统分类，并探讨其催化机制对仿生合成的启示。
研究策略
通过文献综述，分类总结新发现的非常规萜类环化酶，包括钒依赖卤过氧化物酶、兼具环化活性的异戊烯基转移酶、膜结合环化酶、甲基转移酶/环化酶、氧化还原酶介导的环化酶等，分析其结构、机制和生物合成意义，并联系仿生合成实例。
研究路线图
核心内容
该论文系统综述了近年来发现的非经典萜类环化酶，挑战了传统I/II类分类框架。作者归纳了钒依赖卤过氧化物酶、兼具环化活性的异戊烯基转移酶、膜结合环化酶、甲基转移酶/环化酶和氧化还原酶介导的环化酶等新家族，并解析其结构与催化机制。关键结果包括：CVBPO晶体结构解析至2.3 Å分辨率，六个同二聚体组装成十二聚体；Pyr4仅含242个氨基酸且预测有7个跨膜螺旋；fma-TC依赖Mg2+将FPP环化为β-trans-bergamotene。仿生合成方面，Mcl24催化pre-merochlorin转化时，采用N-氯代琥珀酰亚胺在iPr2NH存在下总产率达30%。这些发现证明自然界中还存在卤鎓离子引发、甲基化引发、氧化还原启动乃至自由基途径等新颖环化机制，显著拓展了对萜类生物合成的认知，为有机合成提供了颇具价值的仿生策略参考。
创新点
①首次系统梳理了非典型萜环化酶家族，证明自然界存在与经典I/II类TC无同源性的环化酶；②揭示了多种新的环化机制，如卤鎓离子引发、甲基化引发、氧化还原引发、自由基途径等；③展示了这些酶对仿生合成策略的启发。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Corallina officinalis | 溴代环状萜类生物合成 | — | CVBPO | 催化 | 钒依赖性溴过氧化物酶，催化(E)-(+)-nerolidol环化为α-,β-,γ-synderol及(+)-3β-bromo-8-epicaparrapi oxide |
| Streptomyces aculeolatus NRRL 18422 | napyradiomycin 生物合成 | napH1 | NapH1 | 催化 | 钒依赖性氯过氧化物酶，催化SF2415B1经氯醚化转化为SF2415B3 |
| Streptomyces sp. CNH-189 | merochlorin 生物合成 | mcl24 | Mcl24 | 催化 | 钒依赖性氯过氧化物酶，催化pre-merochlorin经氯化/氧化脱芳香/阳离子环化生成merochlorin A和B |
| Streptomyces sp. CNH-189 | merochlorin 生物合成 | mcl40 | Mcl40 | 催化 | 钒依赖性氯过氧化物酶，推测催化merochlorin D环化生成merochlorin C |
| Fischerella ambigua UTEX1903 | haplindole 生物合成 | ambP1 | AmbP1 | 催化 | 异戊烯基转移酶超家族，推测催化GPP与cis-19融合环化形成四环haplindole骨架 |
| Fischerella ambigua UTEX1903 | haplindole 生物合成 | ambP2 | AmbP2 | 催化 | GPP合酶，提供异戊烯基单元 |
| Fischerella ambigua UTEX1903 | haplindole 生物合成 | ambP3 | AmbP3 | 催化 | 芳香异戊烯基转移酶，催化haplindole U进一步异戊烯基化以形成ambiguine |
| Streptomyces sp. CL190 | lavanduyanin 生物合成 | — | cyclolavandulyl diphosphate synthase | 催化 | 顺式异戊烯基二磷酸合酶超家族成员，催化两分子DMAPP缩合环化生成cyclolavandulyl diphosphate |
| Aspergillus fumigatus FO-1289 | pyripyropene 生物合成 | pyr4 | Pyr4 | 催化 | 膜结合meroterpenoid cyclase，仅242 aa，含7个跨膜螺旋，催化epoxyfarnesyl-HPPO环化为deacetylpyripyropene E |
| 红树林内生链霉菌 | 吲哚倍半萜生物合成 | xiaE | XiaE | 催化 | Pyr4同源物，细菌中首个该类型环化酶，催化indolylfarnesyl epoxide环化为preindosepene |
| — | paxilline 生物合成 | paxB | PaxB | 催化 | Pyr4同源物，可环化环氧化的prenyl indole生成emidole SB及paspaline |
| Aspergillus fumigatus Af293 | fumagillin 生物合成 | Af520 | fma-TC | 催化 | 膜结合环化酶，依赖Mg2+，将FPP环化为β-trans-bergamotene |
| teleocidin 产生菌 | teleocidin 生物合成 | tleD | TleD | 催化 | C-甲基转移酶，通过甲基化引发阳离子环化，将lyngbyatoxin A转化为teleocidin B-1/B-4和des-O-methyl-olivoretin C |
| 海洋链霉菌 | xiamycin 生物合成 | xiaI | XiaI | 催化 | 黄素依赖性单加氧酶，催化indosepene环化（cryptic hydroxylation）生成prexiamycin，再自发氧化为xiamycin |
| viridicatumtoxin 产生菌 | viridicatumtoxin 生物合成 | vrtK | VrtK | 催化 | 细胞色素P450酶，催化previridicatumtoxin环化为viridicatumtoxin，可能通过自由基机制 |
| Cannabis sativa | Δ1-THCA 生物合成 | — | THCA synthase | 催化 | 黄素蛋白，催化cannabigerolic acid氧化环化生成Δ1-tetrahydrocannabinolic acid；结构2.75 Å，FAD共价结合His114和Cys176 |
| Catharanthus roseus | iridoid 生物合成 | — | iridoid synthase | 催化 | 孕酮5β-还原酶同源酶，NAD(P)H依赖性还原10-oxogeranial并环化生成cis-trans-nepetalactol |
| Bacillus subtilis | C35萜（sesquarterpene）生物合成 | ytpB | YtpB | 催化 | tetraprenyl-β-curcumene synthase，将heptaprenyl diphosphate环化为tetraprenyl-β-curcumene |
| Bacillus clausii | 萜类生物合成 | — | Bcl-TS | 催化 | tetraprenyl-β-curcumene synthase同源物，催化geranylfarnesyl diphosphate和hexaprenyl diphosphate生成无环产物 |
| Bacillus subtilis | 三萜生物合成 | sqhC | SqhC | 催化 | 类似squalene-hopene cyclase，催化squalene环化为双环三萜72 |
| Bacillus megaterium | 三萜/倍半萜生物合成 | bmeTC | BmeTC | 催化 | 双功能三萜/倍半萜环化酶，可环化squalene生成72及onoceranoxide 73等，也能环化tetraprenyl-β-curcumene |
关键发现
- CVBPO晶体结构解析至2.3 Å分辨率，亚基含595个氨基酸，六个同二聚体形成十二聚体
- Mcl24催化pre-merochlorin转化为merochlorin A/B，仿生合成使用N-氯代琥珀酰亚胺在iPr2NH存在下总产率为30%
- Pyr4仅含242个氨基酸，预测有7个跨膜螺旋，可环化epoxyfarnesyl-HPPO
- fma-TC依赖Mg2+将FPP环化为β-trans-bergamotene
- THCA synthase结构分辨率2.75 Å，FAD共价结合His114和Cys176
- 通过筛选B. subtilis 2514个基因敲除株鉴定出YtpB为tetraprenyl-β-curcumene synthase
- TleD作为C-甲基转移酶同时催化甲基化和环化生成teleocidin B-1、B-4和des-O-methyl-olivoretin C。
研究结论
自然界中萜类环化酶远比经典I/II类更丰富多样，多种新酶家族（如膜结合环化酶、氧化还原酶、甲基转移酶等）通过独特的机制实现环化，这扩展了对萜类生物合成的认识，并为有机合成提供了新的仿生策略。