Biocatalytic Applications and Mechanistic Insights of Deoxypodophyllotoxin Synthase

化学 立体化学 生物化学 ATP合酶 组合化学 生物催化 有机化学 酶催化 分子构象
作者
Charalambos Michael,Yang Zheng,Mark W. Ruszczycky,Nian-Qi Chen,Chao-Hsuan Lin,Wei-Yu Lin,Wei‐chen Chang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c03159
摘要

The lignan (-)-podophyllotoxin possesses significant antiviral and anticancer activities and thus serves as a precursor to several natural products with therapeutic properties. Biosynthesis of podophyllotoxin involves cyclization of (-)-yatein to yield deoxypodophyllotoxin catalyzed by the iron- and α-ketoglutarate-dependent (Fe/α-KG) oxidase deoxypodophyllotoxin synthase (DPS), which completes the tetracyclic core of podophyllotoxin. Herein, (+)-hydroxy-yatein is also shown to be a substrate for DPS, directly affording (-)-podophyllotoxin as the enzymatic product. Moreover, derivatives of (+)-hydroxy-yatein are also found to be substrates providing synthetic precursors to medicines such as etoposide. Mechanistic analyses utilizing isotopologs and diastereomers of the m-dimethoxy analogue of (+)-hydroxy-yatein indicate antarafacial C-C bond formation during the cyclization reaction and remain consistent with cation-mediated cyclization. A crystallographic study of DPS bound with vanadium(IV) oxide, succinate, and (-)-hydroxy-yatein suggests a subtle interplay of steric interactions between the substrate and the active site that can alter the course of the DPS-catalyzed reaction and thus cyclization versus hydroxylation. Finally, an efficient chemoenzymatic approach to (-)-podophyllotoxin is described that relies only on freeze-dried whole cells after DPS overexpression.
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