Enzymatic Anti-Baldwin Ring-Closure Cascade for Fused Bicyclic Ether Formation

化学 立体化学 双环分子 丝氨酸 氨基酸 区域选择性 对映体药物 异源表达 活动站点 分子模型 丝氨酸水解酶 微粒体环氧化物水解酶 酶催化 羟基化 环氧化物水解酶 环氧化物 细胞色素P450 乙醚 突变 生物合成 生物催化 反应中间体 催化三位一体 级联反应 甘氨酸 同位素标记 环肽 反应中间体 生物化学
作者
Michio Sato,Yui Ito,Tomomi Kagoura,Sakurako Sakano,Yuta Tsunematsu,Jinkai CHENG,Pauline Bianchi,K. N. Houk,Kenji Watanabe
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (47): 44002-44010
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17188
摘要

Pyrenulic acids are cytotoxic polyketides isolated from the ascomycete Pyrenula sp. derived from Vietnamese lichen that are characterized by complex fused cyclic core structures. Genome sequencing, in silico sequence analysis, and RT-PCR studies identified the pyrenulic acid (pya) biosynthetic gene cluster. Based on a functional analysis of the enzymes by expression of each gene in a heterologous host using Aspergillus nidulans, we discovered two cytochrome P450s PyaJ and PyaG that effect epoxidation and hydroxylation of the alkyl chain terminal, respectively, and an α/β hydrolase PyaF that constructs a 6- and 7-membered fused bicyclic diether skeleton by catalyzing successive epoxide ring-opening 6-endo and 7-endo cyclization reactions. To elucidate the detailed mechanism of pyrenulic acid formation, we obtained PyaF as a recombinant enzyme and performed an in vitro experiment, which confirmed catalysis by PyaF of the cyclization reaction. In addition, we performed alignment analysis of PyaF with α/β hydrolases with known functions, as well as an in-depth computational study. In-depth computational analyses of the cyclization reaction pathways with density functional theory quantum mechanics and detailed characterization of PyaF by Chai-1-based protein structure modeling with molecular dynamics simulations and site-specific mutagenesis predicted the active amino acid residues of this serine α/β hydrolase to be an unusual catalytic serine tetrad involving Ser170, Asn342, Asp314, and His169, with Tyr255 and His284 acting as general bases to facilitate opening of the epoxides. Our study provides insight into how regioselectivity of enzymatic anti-Baldwin epoxide ring-opening cascades for the formation of a fused cyclic ether structure is controlled.
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