非核糖體肽合成酶（Nonribosomal peptide synthetases, NRPS）是一類參與活性天然產(chǎn)物生物合成的多酶復(fù)合體，其縮合結(jié)構(gòu)域（Condensation domain, C）負(fù)責(zé)催化上游氨基?；孜锱c下游氨基酸的縮合形成肽鍵。然而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，縮合結(jié)構(gòu)域衍生出多種功能，其中就包括催化分子內(nèi)環(huán)化和產(chǎn)物釋放的末端縮合結(jié)構(gòu)域（Terminal condensation-like domain, CT）。 多年來(lái)，人們?cè)噲D全面闡釋NRPS中縮合結(jié)構(gòu)域催化機(jī)制，以豐富了對(duì)該類天然產(chǎn)物生物合成規(guī)律的認(rèn)知。目前有研究認(rèn)為其保守基序“HH×××DG”中組氨酸廣義堿催化反應(yīng)促使α-氨基去質(zhì)子化，從而介導(dǎo)親核進(jìn)攻；另有研究則提出，質(zhì)子化的組氨酸通過(guò)穩(wěn)定酰胺負(fù)離子中間體來(lái)促進(jìn)親核進(jìn)攻。武漢大學(xué)/華中科技大學(xué)孫宇輝教授、武漢大學(xué)張鄭宇副教授和上海交通大學(xué)趙一雷教授通過(guò)多學(xué)科合作，對(duì)發(fā)現(xiàn)自微生物天然產(chǎn)物——杭泰霉素（Hangtaimycin）中具有獨(dú)特核心基序“RPW×××DG”的末端縮合結(jié)構(gòu)域HtmB2-CT催化形成末端二酮哌嗪的機(jī)制進(jìn)行了解析。他們利用冷凍電鏡解析了HtmB2-CT蛋白的三維結(jié)構(gòu)，并結(jié)合分子對(duì)接和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了HtmB2-CT與底物分子的相互作用網(wǎng)絡(luò)，并定位了關(guān)鍵氨基酸殘基。基于結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)化前體區(qū)域的氨基酸殘基功能，發(fā)現(xiàn)HtmB2-CT的活性與R2776的堿性呈正相關(guān)。量子力學(xué)模擬計(jì)算和體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步揭示，底物分子中N18原子的pKa值因下游烯酰胺取代基的吸電子效應(yīng)而降低，易于去質(zhì)子化形成酰胺負(fù)離子。在HtmB2-CT中，靠近的精氨酸殘基R2776的胍基正離子通過(guò)靜電作用穩(wěn)定了酰胺負(fù)離子中間體，從而促進(jìn)親核反應(yīng)的發(fā)生。這一研究深入解析了HtmB2-CT在杭泰霉素生物合成中以關(guān)鍵精氨酸殘基作為酰胺負(fù)離子穩(wěn)定器助推末端二酮哌嗪環(huán)形成的機(jī)制，它不僅深化了對(duì)NRPS衍生的二酮哌嗪類天然產(chǎn)物生物合成途徑的理解，更為設(shè)計(jì)新型NRPS天然產(chǎn)物提供了新的指導(dǎo)。
論文信息 Formation of the Diketopiperazine Moiety by a Distinct Condensation-Like Domain in Hangtaimycin Biosynthesis Qing Mei, Dr. Shijuan Wu, Dr. Minghe Luo, Shunjia Ji, Jiayi Guo, Dr. Chuan Dong, Guo Sun, Jian Wang, Prof.?Dr. Zixin Deng, Prof.?Dr. Yi-Lei Zhao, Zhengyu Zhang, Prof.?Dr. Yuhui Sun Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202421950
