Nonheme Iron- and 2-Oxoglutarate-Dependent Dioxygenases in Fungal Meroterpenoid Biosynthesis
- 作者
- Ikuro Abe
- 单位
- Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo; Collaborative Research Institute for Innovative Microbiology, The University of Tokyo
- 杂志
- Chemical and Pharmaceutical Bulletin（2020）
- DOI
- 10.1248/cpb.c20-00360
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
真菌meroterpenoid生物合成中非血红素Fe(II)/2-酮戊二酸依赖双加氧酶如何通过选择性C-H键活化催化多种化学反应（包括碳骨架重排、螺环形成、环扩张和内过氧化物形成），从而显著增加天然产物的结构多样性和复杂性。
研究策略
综述近年来对参与真菌meroterpenoid生物合成的多个多功能Fe/2OG双加氧酶（AndA、AndF、AusE、PhrA、NvfI等）的研究，包括酶促反应机理、晶体结构解析、计算化学分析及基于结构的定点突变与功能互换实验。
核心内容
该综述系统梳理了真菌meroterpenoid生物合成中非血红素Fe(II)/2-酮戊二酸依赖双加氧酶的催化多样性与结构基础。研究聚焦于AndA、AndF、AusE、PhrA和NvfI等代表性酶，综合运用酶促反应解析、晶体结构测定、计算化学分析及定点突变互换实验，揭示了这类酶通过选择性C-H键活化驱动碳骨架重排、螺环形成、环扩张乃至内过氧化物生成等多种新奇化学反应。关键结果包括：AndA晶体结构分辨率达2.0–2.5 Å，其催化preandiloid B连续脱氢与重排形成bicyclo[2.2.2]辛烷环，计算化学显示优势路径各步自由能垒均低于20 kcal/mol；PhrA与AusE序列同一性高达78%，但仅通过V150L/A232S/M241V三重突变即可实现功能完全互换，且该PhrA突变体可高效催化五步连续氧化生成新meroterpenoids 22–25；NvfI单次反应即向底物引入三个氧原子形成内过氧化物，尽管与FtmOx序列同一性仅17%。这些发现表明真菌Fe/2OG双加氧酶活性位点的可塑性和底物识别灵活性是其多功能性的根本来源，为基于结构导向的酶工程改造和新型生物催化剂开发提供了重要理论依据。
创新点
揭示了单个Fe/2OG双加氧酶可催化串联反应或碳骨架重排等前所未有的化学反应；通过少数活性位点残基突变实现了PhrA与AusE功能的完全互换，并获得催化五步连续氧化的多功能突变体；首次报道Fe/2OG双加氧酶催化氧化性螺环和内过氧化物形成。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Emericella variecolor | andiconin/anditomin生物合成 | andA | AndA | 催化 | 催化preandiloid B脱氢及bicyclo[2.2.2]辛烷环形成，多功能Fe/2OG双加氧酶 |
| Emericella variecolor | anditomin生物合成 | andF | AndF | 催化 | 催化andilesin C的氧化重排生成anditomin，与AndA序列同一性36% |
| Aspergillus nidulans | austinol生物合成 | ausE | AusE | 催化 | 催化preaustinoid A1脱氢和螺环形成，也催化berkeleyone A的C-3脱氢和羟基化，底物杂泛性 |
| Penicillium brasilianum | paraherquonin生物合成 | phrA | PhrA | 催化 | 催化preaustinoid A1的B环扩张形成环庚二烯，与AusE同一性78%，三重突变使其获得AusE功能并扩增催化能力 |
| Aspergillus novofumigatus | novofumigatonin生物合成 | nvfI | NvfI | 催化 | 催化asnovolin A形成内过氧化物fumigatonoid A，单次反应安装三个氧原子 |
关键发现
- AndA催化preandiloid B连续脱氢和碳骨架重排形成bicyclo[2.2.2]辛烷环，需要抗坏血酸，计算化学表明优势路径（route A）各步ΔG小于20 kcal/mol
- AndA晶体结构分辨率2.0-2.5 Å，AndF与AndA序列同一性36%
- AusE与AndA同一性38%，可通过两步反应形成螺环内酯，还催化C-3脱氢和羟基化，具有底物杂泛性
- PhrA与AusE同一性78%，但催化B环扩张形成环庚二烯，三重突变V150L/A232S/M241V（或对应替换）导致功能互换，PhrA突变体V150L/A232S/M241V可高效催化五步连续氧化生成新meroterpenoids 22-25
- NvfI单次反应在底物中安装三个氧原子形成内过氧化物，与FtmOx序列同一性仅17%
- PhrA与AusE活性位点残基中仅150、232、241位不同，这些残基决定产物选择性。
研究结论
真菌Fe/2OG双加氧酶的催化多功能性源于底物识别灵活性和活性位点结构的可塑性，2OG、底物及氢键网络共同调节酶活性。进一步的结构-功能研究将有助于开发用于合成生物学的新型生物催化剂，以创造新分子用于药物发现。