今天给大家分享的是在最近JACS上发表的文章，题为：A Polyketide Cyclase That Forms Medium-Ring Lactones。该工作的通讯作者是来自上海有机化学研究所的周佳海教授以及、美国加州大学洛杉矶分校的Kendall N. Houk教授和唐奕教授。

在有生物活性的天然分子中，包括不同尺寸的内酯化合物。与小环和大环的内酯相比，中环内酯（8-11）的合成更有挑战性。据估计，中等大小环的分子内酯化反应比五元内酯慢了近6个数量级。活化能的急剧增加是由熵和焓共同引起的，而由于跨环效力引起的焓增占主导作用。在生物催化方面，目前已经发现了可以催化生成小环内酯以及大环内酯的酶，其中最重要的是生成12元和14元内酯苦霉素(Pik)和红霉素(DEBS)的硫酯酶(TE)。然而，目前还没有一种天然酶能够催化形成9元或10元的内酯。因此，发现并鉴定能够催化这种反应的酶至关重要。

图1.(A)有十元内酯的化合物；(B)由十元内酯衍生的化合物。

作者首先专注于由丝状真菌生物合成的壬内酯。图1中的内酯1对胆固醇的合成具有抑制作用，还可以作为某些化合物的合成前体。作者首先对合成内酯1的真菌进行了全基因组扫描，寻找能够合成内酯1的生物合成基因簇(BGC)。最终确定了一个BGC，由聚酮合成酶(HRPKS，DcsA)、TE(DcsB)、P450(DcsC)、短链脱氢/还原酶(SDR，DcsD)和黄素依赖性单加氧酶(FMO，DcsE)五部分组成。

将五部分Dcs酶异源表达，来确定它们的功能性。结果显示，只有DcsA和DcsB就足以合成壬内酯化合物。随后作者合成了一系列硫酯化合物(不同取代的4a)，模拟了DcsA连接的结构，再用重组的DcsB进行环化反应，其中疏水性的酰基硫酯的环化效率更高。与其他TE的序列比较显示，DcsB也是以公认的催化三联体的机制进行催化：S114、H276和D247。

图2. 探究DcsB的底物普适性(A)不同取代基的类似物4b-4e；(B)不同环大小的羟基底物4f-4l。

为了探究底物的取代基对DcsB催化的影响，作者对图2中的4a-4e进行了环化反应，结果显示双键以及取代基都不影响催化。然而，DcsB未能将含有差向异构的亲核醇的底物4e内酯化为2e，这表明在内酯化反应中攻击Ser114结合的酰基链需要亲核试剂的正确空间取向。而对于不同长度的线性底物，都可以使用DcsB环化，产率为49 %至82 %。综上所述，DcsB具有广泛的底物范围，是用于构建各种环大小的内酯的生物催化剂。

图3. DcsB单体的卡通模型。

作者通过在1.56Å分辨率下的单一反常衍射确定了DcsB的晶体结构(如图3)。DcsB以同源二聚体的形式存在于不对称单元中。催化三联体位于核心结构域的环中，并采用与其他TE相同的相对构象。从与底物的晶体结构以及理论计算中，作者发现与DcsB形成酰基中间体的化合物更容易被环化，此外烯烃和烯丙醇不会与附近的残基形成任何稳定的相互作用，这与催化反应不需要这些取代基的事实是一致的。

最后，作者认为，广泛的底物范围应归因于活性部位的性质。底物的一端与S114结合，另一端与F40和F115的主链酰胺形成氢键，这可以抵消熵和焓对环化的阻碍。而蛋氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸可以组成一个大的非极性腔，容纳烷基链。共价作用、氢键以及疏水作用促进了底物的普适性。

综上所述，作者首先从生物合成途径中鉴定得到了硫酯酶DcsB，能够催化合成化学上难以制备的中环内酯，并具有广泛的底物普适性。DcsB不仅增加了用于生物合成的硫酯酶的种类，也有望制备更多的内酯化合物。

作者：LJH  审校：ZRC

DOI: 10.1021/jacs.0c11226

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11226