Molecular Basis of Regioselective Bridgehead C( sp 3 )–H Bond Hydroxylation by P450 Peroxygenase in Bicyclomycin Biosynthesis

区域选择性 化学 羟基化 立体化学 键裂 突变 均分解 基质(水族馆) 组合化学 细胞色素P450 化学选择性 戒指(化学) 生物合成 劈理(地质) 定点突变 分子 立体异构 生物催化
作者
Jun-Bin He,Lian Wu,Wenli Yuan,Haiyan Pan,Binju Wang,Gong-Li Tang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 5616-5629 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c08281
摘要

Achieving highly regioselective C–H bond functionalization at the bridgehead carbon of a single molecule is a fascinating, yet formidable challenge. BcmD, a P450 enzyme, catalyzes the regioselective hydroxylation at the sp 3 -hybridized bridgehead carbon of the bicyclo[4.2.2]piperazinedione ring scaffold during bicyclomycin biosynthesis. Herein, we provide mechanistic details of BcmD to understand its substrate binding and the origin of its regioselectivity. The high-resolution structure of SoBcmD from Streptomyces ossamyceticus in complex with its natural substrate, together with site-directed mutagenesis and computational simulations, reveals that the precise substrate positioning, enabled by specific hydrogen-bonding and hydrophobic interactions with crucial residues, determines the regioselectivity. Intriguingly, we identify SoBcmD as a peroxygenase that could utilize H 2 O 2 as an oxidant to catalyze regioselective hydroxylation. Mechanistic analysis indicates that H 2 O 2 activation in SoBcmD involves a homolytic cleavage process, mediated by a hydrogen-bonding network comprising residues T277, A273, and the substrate. Furthermore, structure-based channel analysis and mutagenesis demonstrate that the I157V mutant exhibits significantly enhanced peroxygenase activity. These findings advance our understanding of regioselectivity control in BcmD and provide valuable guidance for engineering P450 peroxygenases for the C–H bond activation at the chemically challenging bridgehead carbon sites.
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