スクアレン環化酵素の生合成工学
- 作者
- 阿部 郁朗
- 单位
- 静岡県立大学薬学部; 科学技術振興機構PRESTO
- 杂志
- Yakugaku Zasshi（2008）
- DOI
- 10.1248/yakushi.128.1109
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用鲨烯环化酶（SHC和OSC）广泛的底物耐受性与催化潜力，通过化学合成的人工底物的酶促转化，创造非天然的环状三萜/类固醇化合物，并阐明复杂多环化反应的立体化学控制机制。
研究策略
化学合成多种非天然底物类似物（不同链长C25/C30/C35/C40、含吲哚/吡咯环、甲基亚甲基修饰、末端去甲基/还原等），使用微生物（A. acidocaldarius SHC）和植物（P. sativum OSβAC）环化酶进行酶促转化，结合NMR、MS和同位素标记分析产物结构，研究环化机制并生成新化合物。
核心内容
该研究利用来自嗜酸热脂环芽孢杆菌的鲨烯-藿烯环化酶（SHC）和豌豆的β-香树脂醇合成酶（OSβAC），通过化学合成多种非天然底物类似物（包括不同链长、含吲哚或吡咯杂环、甲基亚甲基修饰及末端去甲基化等），进行酶促转化以创造新型环状三萜类化合物。结果表明，SHC能催化C35底物构建出六环6/6/6/6/6/5的“超天然”多萜，收率10%，同时形成6个碳-碳键和11个不对称中心；含吲哚底物3-(farnesyldimethylallyl)indole则生成三环主产物（收率5%），而含吡咯底物也可被转化但效率较低。植物来源的OSβAC对双降底物催化生成bisnor-β-amyrin（收率19%），并通过同位素标记阐明了E环经仲阳离子途径形成的机理，还首次酶促合成了baccharane骨架的三萜bacchar-12-en-3β-ol。这些发现揭示了鲨烯环化酶惊人的底物混杂性与严格的立体化学控制能力，表明化学合成底物与酶工程结合能够构建“超天然”化合物库，为药物先导发现和绿色合成提供了新策略。
创新点
首次通过A. acidocaldarius SHC催化C35底物酶促构建出“超天然”六环6/6/6/6/6/5多萜；首次酶促合成含吲哚/吡咯杂芳环的非天然三萜；揭示了植物OSβAC对双降和双氢底物的独特环化途径（如bisnor-β-amyrin和euph-7-en-3β-ol）；通过同位素标记阐明了E环形成机理。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 | 三萜生物合成（藿烯合成） | — | Alicyclobacillus acidocaldarius 鲨烯：藿烯环化酶（SHC） | 催化 | 重组酶在大肠杆菌中表达；催化C35人工底物、吲哚/吡咯底物及甲基亚甲基底物生成非天然多环三萜 |
| 酵母 | 三萜生物合成（β-香树脂醇合成） | — | Pisum sativum β-香树脂醇合成酶（OSβAC） | 催化 | 异源表达于酵母；催化双降氧化鲨烯（BNOS）和双氢氧化鲨烯（DHOS）生成非天然三萜 |
| — | 三萜生物合成（羽扇醇合成） | — | Arabidopsis thaliana 羽扇醇合成酶（OSLuC） | 催化 | 文献报道催化3-(ω-氧化牻牛儿基牻牛儿基)吲哚生成含吲哚的二萜petromindole |
关键发现
- A. acidocaldarius SHC催化C35底物（C15+C20）生成六环6/6/6/6/6/5新化合物（收率10%），同时构建6个C-C键和11个不对称中心
- 含吲哚底物3-(farnesyldimethylallyl)indole生成三环主产物10（收率5%）和二环副产物9（收率3%），而3-(geranylgeranyl)indole不被SHC接受
- 含吡咯底物2-(farnesyldimethylallyl)pyrrole生成三环产物（收率1%）和二环产物（收率0.1%）
- 甲基亚甲基底物1-MS和25-MS均生成五环hopene衍生物17（收率35%和38%），26-MS和27-MS生成C31达玛烷衍生物18（收率10%）和hopene衍生物19（收率0.3%）
- P. sativum OSβAC催化BNOS生成bisnor-β-amyrin（收率19%）、bisnorgermanicol（收率7%）和bisnor-δ-amyrin（收率1%），同位素标记显示E环形成经双降油烯基仲阳离子途径
- 催化DHOS生成euph-7-en-3β-ol（收率4%）和bacchar-12-en-3β-ol（收率1%），后者为首例酶促合成的baccharane骨架三萜。
研究结论
微生物和植物来源的鲨烯环化酶表现出惊人的底物混杂性和催化潜力，能够严格立体控制地催化人工底物完成复杂多环化反应，产生非天然的新型环状三萜。通过化学合成底物与酶工程相结合，可构建“超天然”化合物库，为药物先导发现和绿色合成提供重要策略。