Decentralized Biosynthesis of the Spiro-DKP Alkaloid Chevalinulin A Enabled by Nonclustered P450 and Intermolecular [4 + 2] Cyclase

化学 生物合成 立体化学 环化酶 分子间力 生物化学 酶 功能(生物学) 计算生物学 烟曲霉 串扰 真菌 生物碱 对接(动物) 细胞色素P450 基因组 蛋白质-蛋白质相互作用 组合化学 环加成
作者
Ling‐Hong Meng,L Wang,Zhen Ying,Xiao‐Ming Li,Xin Li,Li-Hong Yan,Bin‐Gui Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (44): 48524-48535
标识
DOI:10.1021/jacs.6c17478
摘要

Intermolecular Diels-Alder (DA) cycloadditions are pivotal for constructing complex polycyclic architectures. However, biological catalysts performing this transformation on diketopiperazine (DKP) cores remain largely unidentified. Here, we report a decentralized biosynthetic pathway in the deep-sea cold-seep sourced fungus Aspergillus chevalieri CS-122 that assembles chevalinulin A, a spiro[bicyclo[2.2.2]octane]-DKP alkaloid. This pathway involves two nonclustered enzymes, CalO and FadA. CalO is a cytochrome P450 that furnishes an essential exocyclic olefin, while FadA represents the first FAD oxidoreductase-like Diels-Alderase that catalyzes an intermolecular, endoselective [4 + 2] cycloaddition between neoechinulin B and 3,4-trans-cyclohexadiene. These enzymes function downstream of a conserved gene cluster, effectively decoupling core scaffold assembly from late-stage functionalization. This strategy likely underpins the extensive structural diversity of fungal DKP alkaloids. Notably, CalO and FadA were identified via an integrated transcriptomic and structure-guided computational pipeline, rather than sequence homology, demonstrating the efficacy of this approach in mining functional catalysts from genomic "dark matter". Mutational analysis indicates that residues M193, Y226, Y315, and D446 are critical in FadA activity. This study reveals a decentralized biosynthetic paradigm linking clustered core assembly with dispersed diversification, establishing a general framework for engineering complex alkaloid scaffolds.
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