The evolutionary origin of naturally occurring intermolecular Diels-Alderases from Morus alba

黄素腺嘌呤二核苷酸 分子间力 定向进化 突变 生物 立体化学 生物化学 基因 化学 突变 辅因子 分子 有机化学 突变体
作者
Qiutao Ding,Nianxin Guo,Lei Gao,Michael L. McKee,D.-W. Wu,Jun Yang,Junping Fan,Jing‐Ke Weng,Xiaoguang Lei
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46845-0
摘要

Biosynthetic enzymes evolutionarily gain novel functions, thereby expanding the structural diversity of natural products to the benefit of host organisms. Diels-Alderases (DAs), functionally unique enzymes catalysing [4 + 2] cycloaddition reactions, have received considerable research interest. However, their evolutionary mechanisms remain obscure. Here, we investigate the evolutionary origins of the intermolecular DAs in the biosynthesis of Moraceae plant-derived Diels-Alder-type secondary metabolites. Our findings suggest that these DAs have evolved from an ancestor functioning as a flavin adenine dinucleotide (FAD)-dependent oxidocyclase (OC), which catalyses the oxidative cyclisation reactions of isoprenoid-substituted phenolic compounds. Through crystal structure determination, computational calculations, and site-directed mutagenesis experiments, we identified several critical substitutions, including S348L, A357L, D389E and H418R that alter the substrate-binding mode and enable the OCs to gain intermolecular DA activity during evolution. This work provides mechanistic insights into the evolutionary rationale of DAs and paves the way for mining and engineering new DAs from other protein families.
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