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wangkaibo123榮譽版主 (職業(yè)作家)
kerry
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《讀懂天然產物》系列-16-皮氏反應催化生物堿合成的“神奇之旅” 已有1人參與
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《讀懂天然產物系列》（新年伊始，讀懂天然產物系列作品將會陸續(xù)上傳，雖有自娛自樂之說，但我們真切希望廣大蟲友們能積極參與進來，一起討論、學習。歡迎各位蟲友前往閱讀、訂閱及留言） 淘帖鏈接：http://www.gaoyang168.com/bbs/taotie.php?action=view&ttid=55868 上一帖：《讀懂天然產物系列》-15-基因與化學聯(lián)姻：破譯生物合成70年未解之謎 http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=8506439&fpage=1 您的選擇：《讀懂天然產物系列》誠邀您撰寫屬于您自己的文獻評論！ 撰寫鏈接： http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=7732034&fpage=1 故事從1911年說起，在瑞士日內瓦大學，當兩位著名的化學家Ame Pictet 和Theodor Spengler將-苯乙胺與甲醛縮二甲醇兩種物質在鹽酸條件下加熱時，神奇的環(huán)加成反應發(fā)生了，這就是著名的皮氏反應（Pictet-Spengler Reaction，PSR）.皮氏反應至發(fā)現(xiàn)以來，已有超過100年的歷史，100多年來，即使到現(xiàn)在，該反應在異喹啉類及吲哚類生物堿的合成中都發(fā)揮了巨大的作用，為人類的醫(yī)藥事業(yè)發(fā)揮了不可估量的價值，可以說是最成功的合成反應之一。但是，在神奇的自然界，該反應則不止百年的歷史，我們可以追溯到6000年以前，在那個時候，PS反應合成的重要生物堿--嗎啡，則已然在自然界存在。人類利用嗎啡作為藥物，基本同步與人類文明的起源，埃及有明文記載：在3500年前，嗎啡曾作為補藥被人類食用。由此可見，自然界的卓越才華，遠遠超過了人類的智慧，我們完全有理由，有信心去探尋自然界中更多的化合物，更多的天然藥物，發(fā)現(xiàn)更多有趣的有機催化反應。接下來，我將首先簡單介紹催化PS反應的幾種酶。 1. Strictosidine Synthases (STRs)：這是發(fā)現(xiàn)并分離純化得到的第一個催化PS反應的酶，與1975年由耶魯大學的科學家發(fā)現(xiàn)，相關成果發(fā)表于A. I. Scott, S. L. Lee, J. Am. Chem. Soc.1975, 97, 6906 – 6908.（附件參考文獻1）。這類酶主要催化單萜吲哚類生物堿的生物合成，迄今大約有2500多種此類型的單萜吲哚生物堿由此酶催化而得。該類酶的立體結構已經被確定，有多種亞型，相關文獻見附件2,3。該酶催化的主要類型生物堿合成如下圖。 2. Strictosidine Synthases (NCS)：這是發(fā)現(xiàn)并分離純化得到的第二個催化PS反應的酶，與STRs酶發(fā)現(xiàn)之后不久得到。這類酶主要催化異喹啉類生物堿的生物合成，至今發(fā)現(xiàn)大約有3000多種此類型的生物堿。該類酶的立體結構也已經被確定，相關文獻見附件4。該酶催化的主要類型生物堿合成如下圖。 3. non-ribosomal peptide synthetase SfmC：這是一種有開發(fā)潛力的抗癌藥Saframycin A的生物合成酶，該化合物的形成需要該酶的催化，相關結果發(fā)表于Nature chemical biology（附件文獻5）。該酶催化形成Saframycin A的途徑如下圖。 4 McbB：這是一種催化卡波林生物堿合成的酶，由南海海洋研究所鞠建華老師課題組鑒定發(fā)現(xiàn)，這是本次重點介紹的文獻。文獻信息（附件文獻6）： 卡波林生物堿亦是由PS反應催化而來，但是該類生物堿結構骨架沒有單萜吲哚生物堿復雜，因此合成該類化合物的酶應不同于單萜吲哚生物堿，探測卡波林生物堿合成的酶將具有重要意義，本次實驗結果也為卡波林生物堿的研究以及該類生物堿的合成提供重要的參考。 文章中主要是鑒定控制該類酶合成的基因簇，通過基因組成可以判斷組成該酶的氨基酸是什么，但是，酶蛋白的三維立體結構并不能得到，還需廣泛的實驗進行進一步研究。文章中的卡波林類生物堿分離自深海海洋微生物，給基因簇的確定提供了可能。 文章中， 1、作者首先觀察分離得到的生物堿的共同特征：芳香取代的乙胺基、不飽和的C環(huán)。則推測負責卡波林母核構建的酶應具有脫羧酶和脫氫或者氧化酶的活性，進而進行散彈法基因篩選，同時考慮到化合物1涉及酰胺鍵的合成，最終鎖定DNA骨架中27號位置應該負責卡波林母核的構建。進而通過質粒異源性表達確定27號位置中11.2kb長度的DNA片段中包含13個開放性閱讀框架的DNA片段負責MCB卡波林骨架的構建。2、通過基因突變的發(fā)酵實驗，確定13個開放性框架中-7到-1，+1到+3均未參與催化作用，至此目標基因縮小至A,B,C 3個基因片段。基因信息學分析結合與已知基因功能比對，確定A為乙酰輔酶A連接酶，B為卡波林母核構建酶，C為脫羧酶。3、為了進一步驗證ABC 3個酶足夠進行MCB化合物的生合成，進行基因克隆實驗，發(fā)酵分離，結果證實了3個酶足夠進行卡波林母核的構建，同時確定酶B單獨即可形成卡波林類化合物。但是母核構建時C3單元不能確定來自什么地方，作者推測可能來自丙酮酸類的直接的C3單元。4、用同位素標記的方法探索C3單元來自何處，一系列同位素培養(yǎng)實驗最終證明C3單元來自二個乙酸單元。至此，實驗還沒有結束，作者又想探索酶B中哪些氨基酸為主要負責催化的活性氨基酸。5、進行基因突變發(fā)酵培養(yǎng)實驗，結果證明酶B中的N-末端殘基主要參與了骨架的構建，同時發(fā)現(xiàn)E97氨基酸殘基是催化反應進行，必不可少的功能基團。6、到這兒，整個實驗畫個完美的句點，作者總結以上實驗數(shù)據(jù)，提出了化合物1-6的生合成路線，見下圖。同時，作者對各個反應進行思考總結，并于化學催化的PS反應進行比較，提出氧化反應為整個反應的限速步驟。整個實驗思路明確，工作細致嚴謹，工作量大，確實為一篇非常優(yōu)秀的科研性論文，值得深入學習。該文章同時擴展了卡波林生物堿的生物合成知識，也為探測新類型的含有卡波林母核的天然產物的發(fā)現(xiàn)提供了理論性指導。 討論： 在閱讀中，我注意到一個問題，STRs催化形成的是3S構型的產物，NCS催化形成S構型產物， non-ribosomal peptide synthetase SfmC亦催化形成立體單一性產物，但是在簡單卡波林生物堿的合成中，則出現(xiàn)了消旋體的產物，如下圖化合物3abcd（文獻7）。請大家分析討論為什么會出現(xiàn)這種情況，望不惜賜教。 以上即為本人對PS反應的簡單看法，相關文獻請見附件！由于個人水平有限，評論過程中一定有很多不足，請各位蟲友見諒，并提出寶貴意見，謝謝！[ Last edited by wangkaibo123 on 2015-3-12 at 22:10 ] |
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- 附件 6 : 6_Angew_2014_鞠建華_卡波林生物堿生物合成研究_SI.pdf
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wangkaibo123
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