JACS | 上海药物所合作解析铁酶催化连续C-C成键的机制

导读

2026年8月14日，中国科学院上海药物研究所柳红课题组和中山大学李航课题组、暨南大学张志民课题组合作，在国际学术期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Radical Mechanism and Stereochemical Control in Consecutive C–C Bond Formation by the Nonheme Iron Enzyme Hvm1”的研究论文。该研究系统阐释了铁(II)/2-酮戊二酸依赖型（Fe/2OG）酶Hvm1催化连续碳–碳成键、构建杂双环哌嗪生物碱Helvamide B的完整机制。研究不仅通过晶体学等手段确证了Helvamide B的绝对立体构型，还综合运用氘代底物、吸电子取代基修饰的底物类似物及多种谱学技术，深入揭示了该酶催化过程的分子基础。晶体复合物结构解析表明，酪氨酸残基Y67是调控第二步碳–碳键形成中立体选择性分支的关键氨基酸，其突变可主要生成此前未报道的差向异构体Helvamide A。该工作为杂双环哌嗪生物碱的生物合成提供了新思路，也为该类天然产物的活性探索与构效关系研究奠定了物质基础。

天然产物是现代治疗药物的重要源头。其独特的骨架结构、丰富的官能团和多个手性中心，构成了广泛生物活性的化学基础。在这类活性天然产物的后期生物合成中，铁(II)/2-酮戊二酸依赖型（Fe/2OG）酶发挥着关键作用，可通过羟基化、卤化、环氧化、过氧化、立体构型翻转及骨架重排等多种反应精准引入药效基团。尤为值得关注的是，该酶家族催化的C–C成键反应能够构建结构复杂且具有显著生物活性的分子骨架，代表性实例包括3-(2-硝基环丙基)丙氨酸、红藻氨酸/软骨藻酸、环棒麦角碱、(−)-去氧鬼臼毒素、诺加霉素与安迪康宁。这类反应大多涉及C(sp³)–π键加成，历程复杂，当前认知仍十分有限。近期研究表明，含有杂双环体系及四个手性中心的哌嗪生物碱，其生物合成途径已被初步揭示。来自烟曲霉属和青霉属的Fe/2OG酶虽具备相似的催化功能，但产物立体化学存在差异。因此，深入解析该类酶的催化机制，对于天然产物生物合成研究、新型药物发现及生物催化剂的理性改造均具有重要指导意义。

该研究综合运用氘标记实验、电子效应探针和X射线晶体学分析，精准还原了这一分子层面的催化过程（图1）：第一步：精准摘氢。Hvm1利用其高价铁氧中间体（ferryl），选择性攫取底物C3′位上的pro-S氢，生成碳中心自由基。这一步骤是整个反应的关键，决定了后续的立体化学走向。第二步：自由基进攻烯烃。生成的C3′自由基保持原有构型，从烯烃C2的Si面进攻C2=C3双键，形成第一根碳–碳键（C3′–C2），同时构建C3′S和C2S两个新手性中心，并产生第二个自由基（C3自由基）。第三步：不同路径关环。C3自由基以相对于C3′–C2键异面加成（antarafacial）的方式进攻苯甲酰基上的C3′位，形成第二根碳–碳键（C3–C3′），完成helvamide B中第三个新手性中心（3R）的构建（产率约90%）。有趣的是，该键也可通过同面加成（suprafacial）路径生成一种此前未报道的差向异构体——helvamide A（产率约3%）。通过在底物中引入吸电子基团（如氟原子）或更缺电子的吡啶基团，发现两步关环反应均可顺利发生，甚至效率有所提升。证实该过程属于典型的Minisci型自由基加成路径，而非Friedel–Crafts型碳正离子路径。通过晶体复合物解析和结构导向的理性突变，揭示关键残基的立体位阻大小与产物立体化学之间的关系，酪氨酸Y67突变为更小的氨基酸（如丙氨酸或甘氨酸）时，另一构型的helvamide A（4a）变成主产物（产率可达60–80%）。该工作为铁酶催化产物立体选择性的定向改造提供了全新思路，同时也为杂双环哌嗪生物碱的生物合成研究、活性挖掘及构效关系提供物质基础。

图1. Hvm1的催化机制示意图

上海药物所柳红研究员、国科大杭州高等研究院周圣斌副研究员、暨南大学张志民教授和中山大学李航副教授为论文共同通讯作者。周圣斌、杭高院药学院2024级博士研究生张加朋、暨南大学药学院2024级硕士研究生左珈毓、杭高院药学院2023级硕士研究生余建昌为论文的共同第一作者。该工作得到了国家和地方项目经费资助。

原文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6c05166

来源：上海药物所