P450-Mediated Dual Cyclization Mechanisms for Pyrroloindoline Unit Formation in Bispyrrolidinoindoline Diketopiperazine Alkaloid Biosynthesis

化学 立体化学 天然产物 二酮哌嗪 生物合成 区域选择性 二聚体 立体选择性 自由基环化 仿生合成 分子动力学 全合成 基质(水族馆) 立体异构 邻接 机制(生物学) 分子模型 生物碱 四氢吡喃 组合化学 内酯 双重角色 对偶(语法数字) 分子 合理设计 肽合成 联轴节(管道) 甲烷氧化偶联
作者
Ye‐Qing Du,Guangzheng Wei,Tai‐Ping Zhou,Yuhan Dai,Wenya Tian,Man‐Cheng Tang,Zixin Deng,Binju Wang,Xudong Qu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (49): 45199-45209 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.5c14741
摘要

Bispyrrolidinoindoline-diketopiperazines (BPI-DKP) alkaloids, characterized by a complex 3a,3a′-bispyrrolidino[2,3-b]indoline scaffold, constitute a large class of synthetically challenging bioactive pyrroloindoline natural products. Their biosynthesis, mediated by P450 enzymes, involves oxidative dimerization of diketopiperazines (DKPs), yet the underlying mechanistic and stereochemical details have remained unclear. Here, we elucidate the molecular mechanism of TtpB1, a P450 dimerase that stereoselectively couples two DKP units to form C2-symmetric BPI scaffolds through an unexpected cascade. Contrary to the prevailing double-radical coupling hypothesis, integrated structural, biochemical, and computational studies reveal a stepwise process: (i) Compound I-mediated generation of a nitrogen-centered DKP radical, triggering cyclization to a C3-radical pyrroloindoline intermediate; (ii) radical addition to the C3′ position of a second DKP; and (iii) single-electron transfer (SET)-driven cyclization to construct the second pyrroloindoline unit. This dual N-centered radical- and SET-driven cyclization showcases unprecedented versatility in natural product dimer biosynthesis. Molecular dynamics and QM/MM calculations further demonstrate how substrate conformational dynamics enforce stereochemical fidelity, yielding the C2-symmetric BPI-DKP core with vicinal quaternary stereocenters. These findings provide the first structure-guided mechanistic elucidation of BPI-DKP synthase, laying the groundwork for rational enzyme engineering and biomimetic synthesis of these pharmacologically important alkaloids.
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