在生物合成领域，Cyclopentachromone因其独特的6/6/5杂三环结构而备受关注，这一结构是许多具有生物活性的天然产物的关键组成部分。尽管先前的研究推测这种结构可能源自山酮前体，但其具体的生物合成路径一直未被明确。
最近，宾夕法尼亚大学高雪课题组在《美国化学会志》（JACS）上发表的研究论文中，揭示了一类新的含C-S键的Cyclopentachromone化合物——Isochromosulfines（ISCs）的生物合成路径，并鉴定了一种关键的黄素依赖单加氧酶IscL，该酶能够催化6/6/6山酮前体通过苯环收缩形成6/6/5环戊二烯中间体2S-remisporine A。这一发现不仅为Cyclopentachromone的生物合成提供了新的见解，也为基因组挖掘和生物催化应用开辟了新的可能性。
研究背景：
Cyclopentachromone类化合物因其独特的化学结构和生物活性而备受关注。这些化合物在自然界中广泛存在，具有抗肿瘤、抗菌等多种生物活性。然而，由于其复杂的结构，Cyclopentachromone的生物合成路径一直是一个谜。高雪课题组的这一研究不仅填补了这一空白，还为合成生物学和天然产物研究领域提供了新的视角。
研究进展：
研究人员首先利用CRISPR碱基编辑技术对橘青霉（Penicillium citrinum）野生型的主要产物的生物合成基因进行失活，成功截断了本底高产化合物的产生。这一策略使得突变株QCCS能够高效地产生新的Cyclopentachromone类似物——Isochromosulfines (ISCs)。这些ISCs不仅保留了6/6/5的骨架结构，还引入了一个特殊的C-S键。
已知Cyclopentachromones及其可能的生物合成途径
为了深入探究ISCs的生物合成途径，研究团队通过同源基因分析确定了ISCs的生物合成基因簇。通过对这些基因进行逐一敲除，并分离和鉴定中间体，研究人员推测编码黄素依赖单加氧酶的基因iscL的敲除突变株产生的中间体可能是缩环反应的前体，且IscL很可能是负责催化C环缩环的关键酶。
Isochromosulfines生物合成途径
为了验证IscL的功能，研究者们将底物喂养到异源表达iscL的宿主构巢曲霉中。通过液相色谱-质谱（LC-MS）分析，他们发现底物可以被转化为最终产物ISCs。进一步在大肠杆菌中纯化得到了IscL的可溶性蛋白，并发现IscL在体外可以高效地将6/6/6结构中间体转化为6/6/5结构的中间体。这一中间体与已知的remisporine A平面结构相同，但其C-2位是S构型，且不稳定，反应活性非常高，可以在非酶条件下与带巯基的不同化合物通过硫醇-迈克尔加成反应形成不同的Cyclopentachromone硫代衍生物。
IscL功能验证及其酶学机制研究
研究者们还发现了IscL的同源蛋白CcxS，它可以催化中间体形成C环开环的化合物，而不是6/6/5的骨架结构。通过蛋白质区域移植、蛋白结构模拟、分子对接和点突变实验，研究人员发现230位残基的类型（苯丙氨酸或酪氨酸）主导了同源蛋白的反应差异。如果酶的230位是苯丙氨酸，则倾向于催化6/6/5环的形成；而如果230位是酪氨酸，则倾向于形成开环的化合物。
IscL功能验证及其酶学机制研究
结论：
高雪课题组的这项研究不仅在学术上具有重要意义，而且在实际应用中也具有广阔的前景。通过深入理解Cyclopentachromone的生物合成路径，科学家们可以设计出新的生物合成途径，从而合成出更多具有生物活性的化合物。此外，IscL及其同源蛋白的发现为生物催化提供了新的工具，这些工具可以用于合成复杂的有机化合物，特别是在药物合成和精细化工领域。
文献信息
文献标题：Enzymatic Ring Contraction for the Biosynthesis of Sulfur-Containing Cyclopentachromone
作者：Qiuyue Nie, Chunxiao Sun, Shuai Liu, Qiang Li, Maria Zotova, Tong Zhu, Xue Gao
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c11906
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c11906
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