《Nature Chemical Biology》:Hapalindole生物合成中的Cope重排及环化反应结构基础

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文章简介

INTRODUCTION

Hapalindole型生物碱是真枝藻目蓝绿藻（Stigonematalean）所产生的次级代谢物，是有多个手性中心的多环系统（吲哚及单萜环化组成）天然化合物，具有抗细菌、抗真菌、抗结核杆菌、杀虫、抗有丝分裂及抗肿瘤等多种生物学活性。根据多环系统结构可分为hapalindole、ambiguine、fischerindole及welwitindolinone四类。

由于Hapalindole型生物碱结构的复杂性和独特的生物学特性，有许多研究都致力于这些化合物的合成。然而，目前关于这些生物碱的生物生成——特别是四环核心系统的构建，人们还所知甚少。最初的报道表明Hapalindoles来源于cis－吲哚异腈和牻牛儿基焦磷酸（GPP），但是对于多环系统的生物起源仍然不清楚。

美国密西根大学生命科学学院的Sean A． Newmister等人，此前发现了一种在Hapalindoles生物合成过程中特别的中间体——一个异戊烯基化的假吲哚，它经历了Cope重排，然后再进行环化反应生成产物12－epi－hapalindole U。Cope重排是一种［3，3］－sigma迁移重排，即［3，3］－sigma迁移的周环反应。这种周环反应（pericyclic reaction）是通过形成过渡态一步完成、反应中无中间体生成的多中心反应。虽然这种周环反应在有机合成中很普遍，但在生物合成转化中却很少发现。这种多环系统结构是由许多stig环化酶催化合成的，虽然这些环化酶之间的同源性很高，但是产物却差异较大。对于12－epi－hapalindole U的这一复杂生成途径的研究，扩展了人们对stig环化酶的认识，展示了这一类生物碱复杂多样的构型，对于产物立体化学性和区域选择性机理相关研究也具有非常重要的意义。在此基础上，他们进一步对其中重要的stig环化酶的构效关系展开研究，并于2018年在《Nature Chemical Biology》（IF＝ 13．99，生物一区）发表了题为“Structural basis of the Cope rearrangement and cyclization in hapalindole biogenesis”的文章。

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所用到的主要方法

METHODS

1． 结晶学方法

2． NMR

3． LC–MS

4． 量子力学计算

5． 分子动力学模拟

6． Autodock VINA

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文章主要内容摘要

ABSTRACT

Hapalindole型生物碱是一种蓝藻产生的结构多样的天然次级代谢产物，它们具有不同的多环系统和多种生物活性。这些复杂的代谢物是由一种生物合成中间体通过Stig环化酶经过三个步骤而产生的：Cope重排、6－exo－trig环化和亲电芳香取代。本文中报道了一种能在体外催化生成12－epi－hapalindole U的Stig环化酶HpiC1的结构。解析出的结构分辨率为1．5埃，结构为二聚体，其中每个单体含有两个钙离子，HpiC酶的活性位点位于蛋白质二聚体的末端。使用氨基酸突变分析方法和计算方法，作者揭示了与酸催化的［3，3］－sigma迁移重排有关的关键氨基酸，以及控制末端亲电芳香取代位置的特定决定因素，最终导致了hapalindole到fischerindole生物碱的转变。