遇见/摘要
近日，《ACS Catalysis》在线发表了山东大学药学院鞠建华教授课题组的最新研究成果“Bacterial Biosynthesis of Nitrile-Containing Natural Products: Basis for Recognition of Diversified Substrates”。氰基是小分子药物的重要修饰官能团，含氰基的腈类天然产物是创新药物的重要来源，但是细菌通过“肟-腈”途径合成腈类天然产物的关键酶及分子机制尚不清楚，极大地限制了人们对腈类天然产物生物合成的理解及腈类天然药物的研究。本研究从链霉菌中分离鉴定了一种吲哚腈类小分子6-dimethylallylindole-3-acetonitrile (6-DMAIAN)，并深度揭示了FMO型肟基合成酶介导的腈类天然产物生物合成途径、分子机制及关键酶底物宽泛性的结构基础。山东大学药学院鞠建华教授和朱宏杰博士为本文的通讯作者，彭明副研究员及博士生吴巧灵为本文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划等多个项目的支持。
遇见/内容
含有一个或多个氰基的化合物称为腈类化合物（R-C≡N），是创新药物的重要来源。迄今为止，已有70多种腈类药物被临床批准用于治疗各种疾病，包括治疗II型糖尿病、乳腺癌、急性髓性白血病等。在目前已报道的五条腈类天然产物生物合成途径中，“肟-腈”途径被认为是应用最广且最为重要的途径，但是原核生物通过此途径合成腈类天然产物的关键肟基合成酶及生物合成途径都不清楚，极大限制了人们对腈类天然药物的研究与深度挖掘。本研究全面揭示了腈类天然产物6-DMAIAN的生物合成途径及关键步骤的分子机制，提出了由FMO型肟基合成酶介导的腈类天然产物生物合成新途径（图1）。
作者从海洋软体动物石磺共生链霉菌Streptomyces ardesiacus SCSIO LO23中分离得到三个异戊烯基化的吲哚小分子1-3，其中化合物1为腈类天然产物6-dimethylallylindole-3-acetonitrile (6-DMAIAN)，其独特的氰基结构引起了作者的关注。随后作者通过生物信息分析、基因敲除、异源表达及体外生化实验等确定了6-DMAIAN的生物合成仅由异戊烯基转移酶DiatA和黄素依赖型单加氧酶DiatB负责，填补了原核生物“肟-腈”途径中肟基合成酶缺失的空白，并进一步揭示了新型肟基合成酶的酶学性质（图2）。
为全面揭示腈类天然物6-DMAIAN的生物合成途径及关键肟基形成步骤的分子机制，作者通过晶体结构生物学、分子动力学模拟及生化验证等方法确定了新型肟基合成酶DiatB活性中心的关键催化残基Asn57和Arg360，并解析了包括WT-DiatB、 DiatB/底物6-DMAT、DiatB/NADP+、DiatB/NADP+/产物6-DMAIAOx、DiatB N57A/ NADP+/6-DMAT和DiatB R360A/ NADP+/6-DMAT在内的DiatB的6种不同状态下的晶体结构（图3）。
作者还研究了新型肟基合成酶DiatB的底物宽泛性，发现DiatB能够催化多种C6位取代的l-Trp衍生物，但是对其他位置取代的l-Trp衍生物均无活性，这表明DiatB对C6取代的l -Trp衍生物具有特异性。进一步基于晶体结构分析，作者揭示了DiatB识别不同底物的结构基础（图4）。
最后，作者阐明了新型FMO型肟基合成酶DiatB介导腈类天然产物6-DMAIAN合成关键步骤的分子机制（图5）。
本研究揭示了一条FMO型肟基合成酶介导的腈类天然产物生物合成新途径，报道了腈类天然产物生物合成的首个肟基合成酶晶体结构，并深度解析了腈类天然产物的生物合成机理及关键酶识别的结构基础，为全面理解腈类天然产物生物合成提供重要见解，并为腈类化合物合成提供了潜在的工具酶，对推动腈类创新药物研发具有重要意义。
遇见/致谢
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本期参考文献：
https://doi.org/10.1021/acscatal.4c06581
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合成生物学/天然产物生物合成
姊妹号“生物合成文献速递”
