近日，中國海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院、海洋藥物教育部重點實驗室、青島海洋科技中心海洋藥物與生物制品功能實驗室張國建教授團(tuán)隊，在氮雜/硫雜倍半萜類化合物生物合成過程中環(huán)重排-芳構(gòu)化機制研究方面取得新進(jìn)展，研究成果以“Nucleophilic Addition Promoted Ring Rearrangement-Aromatization in Aza-/thio-sesquiterpenoid Biosynthesis（在氮雜/硫雜倍半萜類化合物生物合成中通過親核加成促進(jìn)的環(huán)重排與芳構(gòu)化反應(yīng)）”為題，發(fā)表在國際頂尖期刊Nature Communications（《自然-通訊》）。
芳構(gòu)化是天然產(chǎn)物生物合成中一個至關(guān)重要的過程，賦予分子獨特的化學(xué)穩(wěn)定性和生物活性。在萜類化合物中，芳構(gòu)化通常涉及復(fù)雜的骨架重排，其背后的酶促機制非常獨特且鮮有研究。艾里莫酚烷（eremophilanes）是一類結(jié)構(gòu)多樣、生物活性顯著的重要倍半萜類天然產(chǎn)物，具有良好的藥用開發(fā)潛力。從生物合成路徑來看，所有eremophilanes均起源于馬兜鈴烯骨架，由法尼基二磷酸（FPP）在馬兜鈴烯合酶（AS）催化下通過環(huán)化反應(yīng)生成。不同于傳統(tǒng)倍半萜類化合物，eremophilanes家族中多個成員含有芳香結(jié)構(gòu)，其形成涉及多異戊二烯骨架的斷裂與重排，但具體機制尚未被研究報道（圖1）。
圖1 馬兜鈴烯及艾里莫酚烷型倍半萜的代表性結(jié)構(gòu)
研究團(tuán)隊首先從一株海洋淡紫青霉Penicillium janthinellum H7-4中發(fā)掘出一個沉默的倍半萜類生物合成基因簇（jan cluster），并通過在野生菌株中過量表達(dá)該基因簇中的途徑特異性轉(zhuǎn)錄因子JanG，成功激活了該基因簇，獲得了具有芳香結(jié)構(gòu)的eremophilanes類倍半萜衍生物farfugin A。為進(jìn)一步解析其生物合成潛力，研究團(tuán)隊將janA-F功能基因在模式菌株Aspergillus nidulans A1145中逐步異源表達(dá)，成功獲得了包括farfugin A和一類新穎的由eremophilane骨架與L-蘇氨酸雜合而成的芳香倍半萜-氨基酸加合物aza-janthinellin A。后續(xù)生物合成機制研究進(jìn)一步揭示，在farfugin A與aza-janthinellin A的合成過程中均存在由（氧或氮原子）親核加成引發(fā)、并伴隨[1,2]-烷基遷移的環(huán)重排機制，最終完成芳香化的過程。尤其在aza-janthinellin A形成過程中，一個FAD依賴型單加氧酶JanF被證實能夠催化氧化烯丙醇從而生成，具有高反應(yīng)活性的α,β-不飽和醛中間體，進(jìn)而接受伯胺類試劑的親核攻擊，以此引發(fā)骨架的烷基化遷移和芳香化重排。研究還發(fā)現(xiàn)JanF可通過其活性口袋中的Asn273殘基穩(wěn)定C8-羰基，選擇性地引導(dǎo)α,β-不飽和酮發(fā)生1,2-加成而非1,4-加成，這一過程是構(gòu)建芳香骨架的關(guān)鍵步驟（圖2）。在此基礎(chǔ)上利用JanF強大的催化功能，多種伯胺試劑與具有α,β-不飽和醇的eremophilane底物進(jìn)行孵育，可以獲得結(jié)構(gòu)多樣、活性良好的一系列氨基酸-eremophilane加合產(chǎn)物。
圖2 Farfugin A和aza-janthinellins型eremophilenes的形成機制
基于AlphaFold2預(yù)測的JanF三維結(jié)構(gòu)與底物對接分析，以及Tyr158/Asn273等關(guān)鍵位點的點突變實驗證實，上述殘基對JanF的氧化功能及區(qū)域選擇性至關(guān)重要。為進(jìn)一步探究JanF的底物寬泛性，研究人員將C6-7位含雙鍵的eremophilane喂養(yǎng)到過表達(dá)JanF的A. nidulans A1145菌株中，成功獲得了一系列與胞內(nèi)巰基代謝物（如β-巰基丙酮酸）發(fā)生邁克爾加成的新型芳香倍半萜衍生物，并將其命名為thio-janthinellins（圖3）。其中部分化合物對慢性髓系白血病K562細(xì)胞表現(xiàn)出顯著細(xì)胞毒活性（IC50分別為2.63 μM與3.72 μM），另有部分化合物則對多重耐藥菌具有抑菌作用（MIC=16–32 μM），顯示出潛在的醫(yī)藥應(yīng)用價值。
圖3 分子對接揭示了JanF的底物寬泛性，并基于此獲得了一系列thio-jathinellins
綜上所述，研究團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)了一種由親核進(jìn)攻引發(fā)的萜類骨架重排與芳香化的新機制，并證實黃素酶JanF是催化烯丙醇末端基團(tuán)生成α,β-不飽和醛的關(guān)鍵因素。研究人員成功利用化學(xué)酶法合成，獲得系列新骨架氮雜/硫雜結(jié)構(gòu)化合物，為該類芳香族化合物的藥用潛力開發(fā)，提供了切實可行的路徑。
中國海洋大學(xué)為該論文的唯一通訊單位，醫(yī)藥學(xué)院張國建教授為通訊作者，醫(yī)藥學(xué)院博士研究生徐恒義為第一作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、青島海洋科技中心、山東省泰山學(xué)者青年專家計劃及山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究等項目的資助。張國建教授主要從事活性天然產(chǎn)物分子的發(fā)現(xiàn)、生物合成及微生物代謝工程研究，目前在Sci. Adv.，Nat. Commun.，Metab. Eng.，Curr. Opin. Biotech.等SCI期刊發(fā)表50余篇高水平學(xué)術(shù)論文。
團(tuán)隊合影（右一為張國建，左二為徐恒義）
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62075-4
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