01
《Nature》揭示首例催化Alder-ene反应的酶及其周环选择性分子机制
中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室周佳海课题组和美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)唐奕课题组与Kendall N. Houk课题组合作，首次表征了自然界中催化Alder-ene反应的酶及其催化氧杂Diels-Alder（DA）反应的同源蛋白，解析了这两类酶及其复合物的高分辨率晶体结构，基于结构信息和计算指导通过定点突变实现了周环选择性的逆转，阐明了两类酶如何利用几乎相同的活性位点实现周环选择性的精准控制。该工作发表在《自然》（Nature 2020, 586, 64.）上，唐奕课题组的Masao Ohashi博士、博士研究生 Cooper S. Jamieson和周佳海课题组的博士研究生蔡毓娟并列论文第一作者。
周环反应是指具有环状过渡态的协同反应，这类反应在天然产物合成中常常被应用于高效构建多个碳碳键，而且具有较好的立体选择性和区位选择性。自2011年美国德克萨斯大学Austin分校的刘鸿文课题组首次鉴定出能够催化DA反应的周环酶SpnF后（Nature 2011, 473, 109.），科学家先后从多种天然产物的生物合成途径中鉴定出了不同的新型周环反应酶（Nat. Prod. Rep. 2019, 36, 698.）。2019年，周佳海课题组与唐奕课题组合作，系统地阐释了多功能周环酶LepI立体选择性脱水与催化杂DA反应、逆Claisen重排反应的分子机制（Nat. Chem. 2019, 11, 812.）。
唐奕课题组以LepI为基础，从真菌天然产物生物合成途径中鉴定出6个具有很高序列相似度的O-甲基转移酶蛋白PdxI、AdxI、ModxI、EpiI、UpiI及HpiI。通过体外酶学发现并验证PdxI、AdxI、ModxI催化Alder-ene反应，而EpiI、UpiI、HpiI催化氧杂DA反应。周佳海课题组解析了Alder-ene反应酶PdxI以及氧杂DA反应酶HpiI的apo晶体结构，同时也得到了这两个酶与底物类似物以及产物的共晶结构。在此基础上，Houk课题组对Alder-ene反应酶PdxI催化体系进行了DFT理论计算、分子对接以及动力学模拟，揭示了PdxI/AdxI/ModxI、EpiI/UpiI/HpiI这两组同源性的周环酶因为进化上的细微分歧导致了不同周环选择性的分子机制。该工作不仅加深了对周环反应酶催化机制的理解，也为探索Alder-ene反应和杂DA反应的新型生物催化剂提供了新的启示。
图1 吡啶酮类天然产物pyridoxatin及其类似物的部分生物合成途径
该工作得到了自然科学基金委重大研究计划重点项目和上海市优秀学术带头人项目、上海市国际合作项目的资助，晶体衍射数据是在上海光源BL17U1和国家蛋白质设施BL18U1 、BL19U1处收集。
02
《Nature》:在天然产物来源的新型除草剂研究方面取得重要进展
活性天然产物能够抑制细胞活动中的特定靶点，在过去一个世纪中常常被作为医药健康和农药研发（如杀虫剂、抗菌剂、除草剂及植物生长调节剂）的先导分子。杂草抗性问题是威胁粮食作物生产的重要问题之一，基于环境保护和农业可持续发展的要求，大力研究和发展天然产物来源的除草剂是必要的。除草剂不仅要考虑如何更有效地杀灭杂草，更要以适应环境、安全无公害为出发点，做到作用机理独特，选择性强，对环境和人类安全。
中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室的周佳海课题组近年来一直致力于天然产物生物合成的结构酶学研究，其在前期工作中揭示了真核非核糖体肽大环环化的结构机制（Nat Chem Biol, 2016, 12:1001-1003），阐明了聚酮合酶负责延伸单元识别的酰基转移酶底物识别机制（Angew Chem Int Ed, 2018，57:5823-5827）。周佳海课题组与美国加州大学洛杉矶分校的Yi Tang以及Steven Jacobsen课题组合作，以抗性基因为导向的基因组挖掘技术成功发现了一种新型天然产物除草剂aspterric acid (AA)，AA通过靶向植物支链氨基酸合成途径(BCAA)中的二羟酸脱水酶（DHAD)而抑制植物的生长。该研究首次解析了DHAD全酶的结构，并利用计算化学阐明了AA与酶活性中心的结合机制，揭示了新型除草剂产生效能的分子机制。同时，利用产生菌自身的邻近AA生物合成基因簇的抗性基因astD（其编码蛋白与DHAD具有60%的同源性），成功构建了具有AA耐受性的astD转基因作物。AA抗性基因astD转基因植株的成功构建，预示了AA作为新型除草剂的广阔应用前景。该工作为探索农业生产中开发新型除草剂提供了范例。相关工作于2018年7月11日在线发表在《自然》上（https://www.nature.com/articles/s41586-018-0319-4）。
图一、植物支链氨基酸合成途径中三种广谱除草剂靶点以及其中的二羟酸脱水酶（DHAD)的晶体和晶体结构图片
本工作中的DHAD蛋白是一个含有二铁二硫簇的金属蛋白酶，在普通条件下纯化很容易发生氧化导致二铁二硫的丢失，周佳海课题组利用手套箱环境下的定制蛋白质纯化与结晶系统克服了这一困难，最终得到了高分辨率的含二铁二硫簇的拟南芥DHAD晶体结构。
Yi Tang课题组的博士生Yan Yan、Steven Jacobsen课题组的博士后Qikun Liu和周佳海课题组的硕士生臧鑫（上海有机所与上海师范大学联合招收的研究生）并列论文第一作者。这一工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）的资助，晶体衍射数据是在上海光源BL19U光束线站上收集。
来源：高分子科学前沿 整理自有机所网站
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