Nature Chemistry：揭示多功能周环蛋白LepI的催化分子机制

在无机化学早先，的有催化反应能够同时构建多个氧-氧/氧-精原子核键，并且并不一定较强很高的外面功能性和立体功能性。但在生物早先，催化反应的有催化反应的蛋白却只有少数被引述过。分支胺变格蛋白（chorismate mutase）、precorrin-8x以次基变格蛋白、SpnF和PyrI4等的有蛋白的构件得出结论自然生命体出了多种可以催化反应[4+2]外环加成催化反应及其他的有催化反应的蛋白螺旋异构体，并且这些构件可以管控的有催化反应的外面功能性和立体功能性。2017年，UCLA的隋咸丰帝教授课题组引述了一种S-腺苷以次硫氨胺（SAM）依赖的多系统的有蛋白LepI，它既能催化反应精Diels-Alder（HDA）催化反应，又能催化反应反为Claisen亚胺催化反应6。在不能LepI实际上下，衍生物2可以集体行动油脂转变成(E)-3和(Z)-4，并全面性集体行动起因分子可内Diels-Alder催化反应（IMDA）或HDA催化反应生成一系列的外环加成催化反应中间体。而在LepI的催化反应下，2情况下专一性地油脂转变成(E)-3，并全面性起因HDA催化反应转变成单一中间体10，即Leporin C。LepI属于O-以次基转移蛋白远亲，但是它不能以次基转移蛋白已逝性。为什么该蛋白可以立体功能性地催化反应油脂催化反应、HDA催化反应和反为Claisen亚胺催化反应？SAM的主导作用又是什么？为了回答这些解决办法，2019年7年初21日，早先国科学院苏州生物化学研究指导工作组的周佳海课题组和UCLA的隋咸丰帝课题组合作开发在Nature Chemistry精志上发表文章Structural Basis for Stereoselective Dehydration and Hydrogen-Bonding Catalysis by the SAM-Dependent Pericyclase LepI，类比了可视的LepI及其与衍生物1、8、10的核胺结晶，并通过与UCLA的Kendall Houk课题组合作开发组织起来假说计数指导工作，新方法阐释了LepI催化反应的分子可前提。在这些核胺构件早先，衍生物1是作为油脂催化反应的基团相同物来与LepI完成劳森实验室，借以是表述立体功能性油脂催化分子结构；衍生物10是HDA催化反应和反为Claisen亚胺催化反应的中间体，其与LepI的核胺结晶可以用来比较催化反应前后的异构体是否产生相反；exo中间体8作为endo中间体9的相同物，其与LepI的核胺构件可用于表述反为Claisen亚胺催化反应的特异性。LepI蛋白的母体构件通过硒原子核的单波长反常散射分析方法被类比。在该构件早先，两分子可的LepI以N后端构件域互不缠绕交叠在一起，而C后端构件域则是较强O-以次基转移蛋白远亲典型的Rossman螺旋这种超强二级构件，且每分子可的LepI相辅相成一分子可辅蛋白SAM。基因质体蛋白已逝测定实验室证实了H133、R295和D296对催化反应已逝性的主导主导作用，相辅相成LepI-SAM-1、LepI-SAM-8、LepI-SAM-10核胺构件以及对分子结构核胺构件的计数，该文设想LepI的催化反应前提很可能如下：1. 油脂特异性可能为E1-cb途径：关键因素底物H133作为碱，去底物苯上的4-OH，并且牢固适当的烯醇，而侧链上的乙基以异构体共平面的一段距离离去，R295以及不远处的化学键互联对此有依赖性。离开的水分子可(W')可能中途被这些残留物困住，并与氧酰胺保持化学键。LepI的油脂主导作用是通过将胺和碱配有在异构体构件上和将线状的醇基团2固定在适当的异构体异构体早先来做到1，4-异构体消除的。2. 在HDA催化反应早先，由于苯外环上有太多的室内空间，所以侧链烯烃可集体行动轴向到利于催化反应起因的方位。盘子外面的异质主导作用和亲水主导作用是非对映功能性做到的关键因素。更不可或缺的是，H133和R295可以作为化学键给体，作用了牢固分子结构的主导作用，减低了反映能垒。3. 在早先的引述早先，SAM早先的负电荷对蛋白已逝极为不可或缺，这暗指了SAM可能较强静电催化反应的主导作用。静电催化反应是值得注意被推测的一种催化反应方式也。LepI的已逝性盘子是异质的，极性高于，少数的极性底物可产生一个合理的电场，使催化溶剂所处适宜催化反应起因的取向，牢固分子结构，减低能垒，有助于催化反应的起因。虽然结晶早先SAM与基团并不能这样一来触及，但是SAM上的负电荷都会影响已逝性盘子的电场，可以推断出SAM可以牢固比催化溶剂较强更高偶极矩的分子结构。4. 对于反为Claisen亚胺催化反应，衍生物9并未所处接近NAC（near-attack conformation）的异构体。将H133基因突变为Q或N，该催化反应已逝性稍稍下降，这说明H133极确实是底物的。相辅相成计数，推断出LepI通过H133和R295的底物和静电主导作用，已逝化了反为Claisen亚胺的基团，牢固了分子结构，从而催化反应了该催化反应。LepI-SAM-1、LepI-SAM-8和LepI-SAM-10核胺结晶早先的已逝性盘子。LepI-SAM-1核胺构件早先，苯上的乙基与H133有化学键主导作用，六元外环上的氯原子核和侧链上的羰基与R295、D296等底物及盘子早先的水分子可转变成了一个化学键互联。值得注意的是，构件早先的烯烃侧链并不能往外环一段距离靠近，转变成较难起因DA催化反应的异构体，而是溶剂早先的占据了外环上方的方位。对比三个核胺结晶可以看出，二者苯及苯外环的相辅相成方位相同，化学键互联也大体相同，但R295的异构体起因了较大的变化。在O-以次基转移蛋白类远亲早先，实际上着His-Glu催化反应二联体。而在LepI早先，His-Glu早先的His被Arg（R295）转用了。比起His，Arg是更好的化学键给体，静电牢固主导作用也更佳；且Arg极性更弱，较难停留在底物的状态。这很可能就是LepI能催化反应的有催化反应而不是以次基转移催化反应的关键因素。该指导工作不仅拓展了我们对O-以次基转移蛋白类远亲的系统认知，也让我们对SAM的主导作用有了新的认识，同时也预示着SAM及依赖SAM的蛋白在微生物新陈代谢早先还有更多新的主导作用和系统等着科学家去推测和探险。比起无机化学早先的催化反应剂，微生物合成早先的蛋白并不一定较强更高的立体专一性和催化反应效率。鉴于的有催化反应在合成领域早先的效用，对新型的有蛋白的推测和探险在期望微生物合成以及无机化学分析方法早先将有着相当大的前瞻性。周佳海课题组的北京师范大学蔡毓娟、隋咸丰帝课题组的研究指导工作生Yang Hai和Masao Ohashi合称博士论文第一作者。晶体偏振光数据分别在苏州光源BL17U1、BL18U1和BL19U1线站收集的。专家点评戈惠明（四川大学基础科学学院教授，国家青年基金得主）的有催化反应是一类在催化反应过程早先可转变成的外环分子结构的催化反应，在无机化学早先较强不可或缺的领域。在微生物体早先，值得注意也推测了一系列的有催化反应蛋白，如Claisen亚胺催化反应蛋白，Cope亚胺催化反应蛋白以及Diels-Alder催化反应的蛋白等，其早先以Diels-Alder催化反应蛋白被推测的较多，研究指导工作相对透彻。在2017年，UCLA的隋咸丰帝课题组在对来源于曲霉菌的Leporin C完成微生物合成研究指导工作时推测，LepI尽管被译文为一个SAM依赖的以次基转移蛋白，然而却推测可以同时催化反应油脂催化反应、Diels-Alder、精Diels-Alder以及反为Claisen亚胺等催化反应，是一有名的多系统的有催化反应蛋白。那么，系统如此多样的LepI是如何发挥催化反应主导作用的，SAM在催化反应过程早先发挥了什么主导作用，已逝性之间是如何密切合作各步催化反应的关系的？这些解决办法外已明确解答。近来，早先国科学院苏州生物化学研究指导工作组的周佳海课题组和UCLA的隋咸丰帝课题组合作开发揭示了LepI催化反应的分子可前提。他们通过类比油脂催化反应的基团相同物衍生物1与LepI的劳森构件，表述了LepI立体功能性油脂的催化分子结构。同时，推测LepI在催化反应HDA的催化反应早先，由于苯上的侧链烯烃集体行动轴向到有效地催化反应起因的方位，H133和R295通过转变成化学键牢固了分子结构，减低了催化反应能垒使得催化反应得以完成。通过对LepI-SAM-1的核胺结晶完成类比，推测SAM在催化反应早先并不能与基团起因这样一来的主导作用而是转变成一个化学键互联，通过静电催化反应来缺少。通过类比衍生物8与LepI的劳森构件同时相辅相成化学计数，明确LepI通过H133和R295的底物和静电主导作用，已逝化了反为Claisen亚胺的基团，牢固了分子结构，从而催化反应了该催化反应。通过对关键因素催化反应已逝性的点基因突变，证实推断出的前提是合理的。最后作者通过将LepI与O-以次基转移蛋白类远亲早先的其它蛋白完成比较推测，于是就的催化反应二联体His-Glu在LepI早先生命体成为Arg-Glu，这一变化使得LepI生命体为一个多系统的的有催化反应蛋白。的有催化反应蛋白由于高度的立体专一性和高效的成键方式也在天然中间体微生物合成早先有不可或缺的主导作用。而LepI作为在此早先被引述的非常有名的多系统的有催化反应蛋白，对其催化反应前提的完整说明了为今后全面性技术改造和来完成奠定了基础。零碎出处：Yujuan Cai, Yang Hai, Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson,et al.Structural basis for stereoselective dehydration and hydrogen-bonding catalysis by the SAM-dependent pericyclase LepI ,Nature Chemistry (2019) ,Published: 22 July 2019