01
遇见/摘要
近日，中国海洋大学李德海和张玉忠课题组合作在《Nature Communications》在线发表了题为“Characterization and structural analysis of a versatile
aromatic prenyltransferase for imidazole-containing diketopiperazines”的研究论文。该研究发现了首个能够催化含咪唑的二酮哌嗪（diketopiperazines，DKPs）底物发生咪唑-C-二甲基烯丙基化反应的异戊烯基转移酶（prenyltransferase，PT）AuraA，并首次应用冷冻电镜技术解析了该酶及其与底物复合物的结构，这一发现揭示了AuraA催化咪唑基异戊烯基化及催化选择性的结构基础，为咪唑碳修饰的非天然产物的生物合成提供了新的可用工具。
02
遇见/内容
异戊烯基转移酶催化的异戊烯基化修饰是一种广泛存在的天然产物后修饰过程，对天然产物的结构多样性及生物活性都起着至关重要的作用。异戊烯基化修饰主要发生在多种芳环体系，包括色氨酸、含吲哚的DKPs、酪氨酸和其他多种芳香类化合物（如黄酮类、羟基萘、氧杂蒽酮、二苯甲酮等）。然而，咪唑作为具有重要药理学功能的芳香杂环，目前仅报道了两例能够实现咪唑异戊烯基化修饰的酶，分别是催化环肽中组氨酸残基C2位香叶基化（C10）的肽异戊烯基转移酶家族LimF及催化游离组氨酸C5位二甲基烯丙基化的DMATS家族FunA。此外，目前已报道了多个包含咪唑异戊二烯化片段的DKPs化合物，但催化DKPs中咪唑环进行异戊二烯化的酶和催化选择性机制尚不清楚。
本研究以咪唑-C5-reverse二甲基烯丙基化的DKP化合物aurantiamine作为研究对象，揭示了1个DMATS（dimethylallyl tryptophan synthase）家族异戊烯基转移酶催化DKPs底物咪唑碳异戊烯基化修饰的基础。首先研究人员通过异源表达在Penicillium solitum HDN11-131中鉴定了aurantiamine (1)的生物合成基因簇aura，其编码DMATS家族PT（AuraA）、MFS转运蛋白（AuraB）、双模块NRPS（AuraC）和P450单加氧酶（AuraD）。进一步的组合异源表达揭示了aurantiamine (1)的生物合成途径，并在AN-auraAC异源株中发现了AuraA催化的咪唑碳修饰的新取代模式的产物dihydroveridamine (4)。进一步通过体外酶学实验确认了AuraA既能催化含咪唑的脱氢环二肽cyclo-(L-Val-DH-His)生成咪唑环5位反式异戊烯基化产物1，也能催化环二肽cyclo-(L-Val-L-His)生成咪唑环2位顺式异戊烯基化产物4（图1）。
鉴于AuraA能基于单键/双键不同的相似底物催化位置（2位和5位）和模式（顺式和反式）不同的异戊烯基化反应，为精确阐明其催化机制，研究人员应用冷冻电镜技术，解析了AuraA的apo结构及其与不同底物的三元复合物结构（AuraA-DMSPP-2和AuraA-DMSPP-3），并系统分析了催化口袋内残基的构象变化及底物结合模式。研究人员发现尽管底物2和3只有一个双键的差异，但二者在活性口袋中与DMSPP具有不同的结合模式。基于此，研究人员提出异戊烯基供体与受体的相对位置及距离是影响催化模式的关键，阐明了AuraA催化咪唑基异戊烯基化的结构基础及催化选择性的分子机制（图2）。
最后，研究人员基于结构信息对该酶进行了工程化改造，获得了多个突变体。体外生化研究发现，几乎所有突变体都产生了产物多样性的改变，尤其是AuraA-Y207A突变体，能高效催化cyclo-(L-Val-DH-His)产生2位顺式异戊烯基化产物viridamine (5)（图1），揭示了DMATS家族PT酪氨酸屏蔽区残基的多重作用。进一步冷冻电镜（AuraA-Y207A-DMSPP）解析结合分子对接，揭示了另一种可能的底物取代模式（图2）。该项研究为咪唑小分子药物烷基化修饰提供了新的可用酶工具，同时为DMATS家族酶的识别催化机制和工程化改造提供了可靠的结构见解。
中国海洋大学为第一完成和通讯作者单位，李德海教授和张玉忠教授为共同通讯作者，医药学院博士后王文雪、海洋生命学院王鹏副教授、医药学院博士后马传腾、海洋生命学院李康副教授为并列第一作者。该工作得到国家自然科学基金、青岛海洋科技中心科技创新项目、山东省泰山学者项目、山东省自然科学基金重大基础研究等项目的资助。
03
遇见/致谢
感谢李德海教授课题组对本号的支持，感谢文章作者王文雪提供本文稿件支持！
1. 中国海洋大学李德海组Angew｜南极真菌来源强效NLRP3炎症小体抑制剂
2. 中国海洋大学李德海组Adv. Sci.｜P450催化真菌二聚吲哚二酮哌嗪生物碱的多样性生物合成
3. 中国海洋大学李德海组OL｜一种具备多底物选择性的真菌UbiA型异戊烯基转移酶拓展了chrodrimanin型混源杂萜的结构多样性
4. 中医科学院黄璐琦/郭娟/马莹APSB | 系统改造酿酒酵母构建适宜P450s表达微环境以适应天然产物生物合成
遇见生物合成
合成生物学/天然产物生物合成
姊妹号“生物合成文献速递”
