Structure-Based Catalytic Mechanism of Amaryllidaceae O-Methyltransferases

石蒜科生物碱 甲基转移酶 O-甲基转移酶 部分 化学 石蒜科 生物合成 立体化学 生物 生物化学 甲基化 植物 DNA 生物碱
作者
Saw Yu Yu Hnin,Yu Nakashima,Takeshi Kodama,Hiroyuki Morita
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (15): 11865-11880 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03305
摘要

Narcissus pseudonarcissus norbelladine 4′-O-methyltransferase (NpN4OMT), Lycoris longituba OMT (LlOMT), Lycoris aurea OMT (LaOMT), and Lycoris radiata OMT (LrOMT) have been identified as the key enzymes that produce a common intermediate, 4′-O-methylnorbelladine, from norbelladine in the biosynthesis of Amaryllidaceae alkaloids such as galanthamine, a therapeutic agent for Alzheimer's disease. Among them, only LrOMT was reported to produce not only 4′-O-methylnorbelladine but also 3′-O-methylnorbelladine from norbelladine as the plausible key intermediate in the biosynthesis of pseudolycorine-type Amaryllidaceae alkaloids. Here, in vitro functional analyses revealed that NpN4OMT, LlOMT, and LaOMT can also produce 3′-O-methylnorbelladine with 7, 62, and 62% meta-O-methylation preferences, respectively. X-ray crystallographic studies of NpN4OMT, LlOMT, and LaOMT demonstrated that these enzymes possess an exceptionally large active site cavity including a 4-hydroxyphenyl moiety binding pocket, Region P, which has never been observed in previously reported homologous enzymes, catechol OMTs and caffeoyl coenzyme A OMTs. We also found that the native Amaryllidaceae OMTs regulate their para/meta-O-methylation preference for norbelladine by subtly balancing the polar contacts from the residues at positions 10 and 186 to the amine moiety of norbelladine in Region A. A structure-based mutagenesis study focusing on Asp230 led to the conversion of LlOMT to an unprecedented biocatalyst that specifically catalyzes the meta-O-methylation of norbelladine to produce 3′-O-methylnorbelladine. The results provide an atomic-level understanding of the factors controlling the para/meta-O-methylation preferences of Amaryllidaceae OMTs for 4′- and 3′-O-methylnorbelladine syntheses.
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