Angew Chem︱中科院微生物所尹文兵团队揭示多硫代二酮哌嗪非典型α, β’-二硫桥的新颖形成机制

作者:石油醚

近日， 中国科学院微生物研究所真菌学国家重点实验室尹文兵研究团队 通过解析α, β’-二硫桥形成后的pretrichodermamide A复杂生物合成步骤，揭示了多硫代二酮哌嗪类化合物（ETP）次级代谢产物隐秘结构多样性的形成机制（Angewandte Chemie, 2023, 135, e202217212）。该研究团队于2023年5月9日，在化学领域权威期刊Angewandte Chemie再次发表文章，题为“An ortho-quinone methide mediates disulfide migration in the biosynthesis of epidithiodiketopiperazines”，解析了α, β’-二硫桥形成后的pretrichodermamide A复杂生物合成步骤，揭示了关键中间体邻亚甲基苯醌（ortho-quinone methide，o-QM）参与非典型α, β’-二硫桥形成的新颖酶催化机制。

多硫代二酮哌嗪类化合物（Epidithiodiketopiperazines，ETPs）是一类具有生物和医学意义的重要环二肽，根据跨环二硫桥在二酮哌嗪母核（DKP）的连接位置，ETPs分为两类，分别具有α, α’-和α, β’-二硫桥，该结构单元与ETPs生物活性密切相关。以烟曲霉GliT为例，已有研究证实具有CXXC motif的黄素依赖型氧化酶催化α, α’-二硫醇的氧化，形成α, α’-二硫桥；2021年，尹文兵研究团队通过体外蛋白反应，发现具有CXXC motif的黄素依赖型氧化酶GliT和TdaR也能催化α, β’-二硫醇的氧化，形成α, β’-二硫桥（ Chemical Science, 2021, 12, 4132-4138 ）（图1）。Hertweck课题组通过解析阿司匹氯（aspirochlorine）的生物合成，揭示了具有CXXH motif的黄素依赖型氧化酶AclR催化α, α’-二硫桥的迁移，形成α, β’-二硫桥，然而，其催化机制未被完全解析。

图1. 前人报道的α, α’-二硫桥（A）和α, β’-二硫桥（B）形成机制

前期研究中，尹文兵研究团队通过解析α, β ‘-二硫桥形成后的pretrichodermamide A复杂生物合成步骤，鉴定了7个关键的Tda修饰酶，发现超过20个隐秘的ETP类化合物，揭示了该类次级代谢产物结构多样性的形成机制，为该类化合物的定向挖掘及多样性创制提供了新思路（ Angewandte Chemie, 2023, 135, e202217212 ）。本项研究旨在解析α, β’-二硫桥形成前的生物合成步骤，阐明pretrichodermamide A中非典型α, β’-二硫桥的形成机制。

作者首先对炭团木霉 tda 基因簇内的细胞色素氧化酶编码基因 tdaQ 和 tdaI 进行双敲除，成功鉴定具有α, β’-二硫桥和呋喃环的生物合成中间体 5 。通过簇内修饰基因敲除和次级代谢产物分离，共鉴定20个新结构，其中大多数为pretrichodermamide A生物合成中的分支途径产物，体现了非沉默途径中隐秘次级代谢产物结构的多样性。对这些结构进行分析，作者推测了α, β’-二硫桥形成前的pretrichodermamide A生物合成步骤（图2）。非核糖体多肽合成酶TdaA催化形成环苯丙氨酸（cFF， 4 ），经过氧化、谷胱甘肽引入、水解等步骤后，形成具有α, α’-二硫醇和b’-羟基的中间体 9 ；紧接着，具有CXXC motif的黄素依赖型氧化酶TdaR负责氧化α, α’-二硫醇，形成α, α’-二硫桥（ 10 ）；乙酰基转移酶TdaF催化β’-羟基的乙酰化，形成 11 ；细胞色素P450氧化酶TdaP催化 C5′, C6′