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NC：植物也有铁/α酮戊二酸依赖性卤化酶

更新时间：2020-10-22 点击次数：5
卤化天然产物通常存在于细菌，海洋动物和大型藻类中，并且具有从抗生素到抗癌药的多种生物活性。尽管迄今已鉴定出超过5000种天然卤化物，但在陆地植物中仅发现了少数几个铁和α-酮戊二酸依赖性卤化酶（2-oxoglutarate-dependent halogenases，2ODHs）可以催化细菌中未激活的C–H键的区域选择性卤化的例子，包括美登素和4-氯吲哚-3-乙酸。但是，最近证实美登素是由内生细菌产生的，4-氯吲哚-3-乙酸的合成也可能依赖于共生细菌的代谢，因为在豆类中没有已知种类的吲哚卤化酶，但这些在细菌中具有很好的表征。另一个著名的例子是在防己科的植物中产生的四环氯代生物碱（-）-Acutumine。（-）-Acutumine在Wistar大鼠模型中对培养的人T细胞具有选择性的细胞毒性，并具有增强记忆的特性。由于其不寻常的结构和生物活性，近年来合成化学家一直在追求全合成（-）-Acutumine。特别是（-）-Acutumine含有一个sp3-碳-卤键，很难在特定位置引入，特别是在化学合成的后期。早期的研究利用同位素示踪研究了防己科植物中的（-）-Acutumine的生物合成，显示酪氨酸是（-）-Acutumine的生物合成前体，氯化是其生物合成的最终步骤。区域和立体选择性卤化在药物化学中非常重要，因为主要药效基团的生物活性和药代动力学通常可以通过卤化获得。以前的研究使用细菌卤酶，将卤化物官能团引入长春花植物的长春花生物碱中，并且还在本氏烟草中产生了新型的卤化靛蓝前体。然而，由于天然存在的卤代植物代谢物的稀缺性，迄今尚未鉴定出植物来源的卤化酶。

来自美国麻省理工翁经科团队报道了从防己科植物中挖掘脱氯Acutumine卤化酶（dechloroacutumine halogenase，DAH）的发现。作者获得了三种防己科植物，两种可产（-）-Acutumine的和一种不产的。使用高分辨液-质（LC-HRAM-MS），在产生（-）-Acutumine的两种植物种分别检测了几种先前报道的（-）-Acutumine类生物碱，而不产的植物种没有检测到类似生物碱。用不产（-）-Acutumine的防己科植物为发掘（-）-Acutumine的生物合成基因做参照。通过组织特异性的RNA-seq实验分析和转录组分析，结合之前对合成途径的研究结果，作者推测，负责末端氯化的候选酶是由2ODH催化的，因为它是唯一能够针对未活化的sp3-杂化碳中心进行单步卤化的卤化酶。综合2ODHs的一些特征作者最后发现了一个在根中高表达的基因McDAH（M. canadense dechloroacutumine halogenase），通过分子另一种产（-）-Acutumine的防己科植物转录组发现一个蛋白序列一致性与McDAH有99.1%的基因SaDAH。接下来，作者在大肠杆菌中表达了两个基因，并进行了体外测活发现两个酶具有相同的活性，均可以催化脱氯Acutumine生成（-）-Acutumine，因此在后续实验中用SaDAH进行研究。与已知的细菌来源的DAH比较后发现，在活性中心226位关键催化残基发生了由Asp至Gly的替换。为了验证Gly226的功能，作者将其突变为Asp，测活发现其功能由氯化变为了羟基化。作者还测试了SaDAH对N3−,Br−, NO3−, NO2−, and OCN-的选择性，结果只有N3−可以反应生成11-叠氮基脱氯Acutumine。

总的来说，DAH是植物来源的2ODH，可催化（-）-Acutumine生物合成中的最终氯化步骤。系统发育分析表明，DAH在防己科植物和细菌中独立进化，说明了跨生命域的专门代谢中平行进化的一个示例。作者的实验显示在叠氮化物阴离子的存在下，DAH还显示出对脱氯Acutumine的混杂叠氮化活性。这项研究为通过卤化和叠氮化生物化学扩大植物化学多样性开辟了途径。

（编辑：恒鲁生物）
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