萜烯是天然产物中最大的一类。由萜烯环化酶(TC)通过复杂的酶促转化，萜烯的骨架可以从无环低聚二磷酸酯中形成。这些酶反应从底物电离开始，通过二磷酸盐提取，然后通过阳离子中间体进行级联反应。
Figure 1. 概述图
基于同位素标记实验并结合计算研究，德国波恩大学Jeroen S. Dickschat教授领导的研究团队解决了索多芬（一种来自土壤细菌普城沙雷氏菌的高度甲基化倍半萜）的环化机制。其生物合成中的一个特殊问题在于从链状亚甲基碳形成几个甲基。潜在的机制涉及甲基转移酶介导的环化和前所未有的环收缩，碳从链中挤出形成甲基。萜烯环化酶随后催化裂解成两个反应性中间体，然后在它们之间进行氢转移，并通过[4+3]环加成使片段重组。本研究解决了索多芬生物合成中额外甲基形成的复杂机制问题。相关研究成果以题为“Fragmentation and [4 + 3] cycloaddition in sodorifen biosynthesis”发表在最新一期《Nature Chemistry》上.值得一提的是本文第一作者为中国留学生Houchao Xu，就在2022年，Houchao Xu还以共同一作的身份发表了《Nature Catalysis》。
【研究背景】
法尼基二磷酸 (FPP)环化成二磷酸二磷酸酯(2)是由甲基化引发的，随后萜烯环化成一种具有内部对称平面（红色）的化合物1，使用CIP对2进行去磷酸化可以分离出presodorifen(3)（图1a）。13C标记实验揭示了FPP和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）中2和1中所有碳的生物合成来源，基于同位素标记实验，有人提出了索多芬生物合成的机制假设，但已发表的机理值得怀疑，因为它是通过初级阳离子进行的。鉴于此，本文设计了 1 的生物合成的实验和计算改进模型，其中包括几个前所未有的机理步骤。
详细来说，为了研究1的生物合成，作者克隆了来自普城沙门氏菌PRI-2C的MT和TC基因并在大肠杆菌中表达。纯化后的酶将FPP和SAM转化为1，而仅使用MT则形成2。化合物2难以分离，但经小牛肠磷酸酶（CIP）去磷酸化后可得到相应的醇presodorifen（3）（图1a）。作者首先通过 (13C)FPP10 和 (methyl-13C)SAM 的所有 15 种同位素异构体与 MT 的转化来研究 2 的生物合成（图 1b）。
图 1. 索多芬的生物合成 (1). 甲基转移酶 (MT), 萜烯环化酶 (TC).
【环化成presodorifen diphosphate】
通过上述的实验设计与实验结果证实了由MT催化的环化机制，该机制始于CH3+从SAM转移到FPP的C-10（图2）。首先会导致P1的6,11-环化，然后是变色重排，其中9-pro-R氢（青色）特定迁移并挤出C-8在P3中形成额外的甲基。或者，该步骤可以通过活性位点碱基环丙烷化去质子化为P2，然后通过转移相同质子并打开环丙烷环为P3进行再质子化来代替。从C-6到C-7（红色）的1,2-氢化物迁移导致P4，Me-13从C-11到C-6的1,2-甲基迁移导致P5，去质子化后产生2来自C-10。
图 2. 从 FPP 到 presodorifen diphosphate 的环化机制 (2)
【环化为索多芬与密度泛函理论计算】
使用MT和TC以及(13C)FPP和(methyl-13C)SAM的所有15种同位素异构体研究了1的形成机制，显示在所有情况下都特异性掺入到1中。1中的对称平面仅允许关于该平面内的碳（C-1、C-2、C-10和CS）的明确结论，而对于所有其他情况，必须考虑两个相等的位置。为了解决这些歧义，作者使用多重13C标记的探针研究了碳连接。总之，C-7、C-9和C-14被分配到1的对面。
此外，作者进行了额外的氘标记实验以研究1的氢的生物合成来源。基于这些结果，作者开发了1生物合成的机理模型（图3）。通过二磷酸盐的提取使2电离导致苯甲嘧啶基阳离子(S1)，它可以经历4-pro-S氢（蓝色）到S2的1,4-质子转移。然后，相同的氢通过1,2-氢化物转移转移到S3中的C-10，并在裂解成戊二烯基阳离子和环戊烯部分(S4)后转移到S5中的C-1，这解释了它从C中观察到的净迁移-4到C-1。戊二烯片段的旋转使C-5接近H-7（红色，源自FPP的H-6，图2），这允许质子转移产生S6。进一步旋转后，这两个片段在[4+3]环加成中重组，C-10攻击为C-4，C-2攻击为C-7，通过S7a或S7b协同或分步进行，得到S8。Wagner-Meerwein重排为S9和去质子化导致1。
图 3. presodorifen diphosphate (2) 到 sodorifen (1) 的环化机制
【presodorifen diphosphate的绝对构型】
作者通过纯实验方法重新研究了2的绝对构型（图4）。结论是，（6R,7S,9S）-2是11的前体，但不是1的前体，天然防腐剂二磷酸酯（2）和防腐剂（3）的绝对构型必须修改为（6S,7R,9R）。2的绝对构型通过在第二个样品中出现来自(6S,7R,9R)-[13C2]-2的标记得到证实，在1中，但在11中没有。11的环化机制可以通过(6R,7S,9S)-2的电离来进行，通过二磷酸盐抽象到ent-S1，环化到E1和去质子化（图5b）。
图 4. 2的绝对构型
图 5. 2的绝对构型
【总结】
索多芬及其生物合成在许多方面都非常不寻常。首先，由于其内部对称平面，索多芬(sodorifen)是少数已知的非手性萜烯之一，类似于1,8-桉树脑的情况。其生物合成从FPP的亚甲基碳形成两个甲基。第一个是在甲基转移酶催化的甲基化诱导环化中形成的，第二个是在萜烯合酶底物电离后形成的，导致具有几个质子和氢化物位移的碎裂，最终导致烯丙基阳离子和五甲基环戊二烯分段。它们的重组通过异步[4+3]环加成进行，为此可能不需要酶来降低能垒。TC活性位点的要求是在[4+3]环加成之前为两个片段的重新定向提供足够的空间，并且需要严格将水排除在疏水腔之外以避免过早的阳离子猝灭。最终，索多芬生物合成涉及另一种不寻常的重排。生物合成过程中已知有几种[4+2]环加成反应，甚至[6+4]环加成反应，烯丙基阳离子与丁二烯的[4+3]环加成反应常用于七元环的合成。Sodorifen生物合成涉及酶促[4+3]环加成。最后，萜烯合酶不仅能够接受其底物的天然对映异构体，还能够接受电离并环化成另一种多甲基化萜烯对映体的非天然对映异构体。综上所述，所有这些方面使索多芬合酶成为人类已知的最不寻常的生物催化剂之一。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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