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图 糖基化酶催化串联[4+2]环加成反应
在国家自然科学基金项目（批准号：82225042）等资助下，中国医学科学院药物研究所胡友财研究员、中国科学院深圳先进技术研究院周佳海研究员与美国加利福尼亚大学洛杉矶分校K. N. Houk教授合作，在天然产物生物合成的糖基化蛋白催化研究方面取得重要进展。研究成果以“糖基化酶催化串联分子间[4+2]环加成反应用于天然产物的生物合成（Tandem intermolecular [4+2] cycloadditions are catalyzed by glycosylated enzymes for natural product biosynthesis）”为题，于2023年6月26日在《自然•化学》（Nature Chemistry）杂志上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01260-8。
蛋白糖基化是生物体中重要的翻译后修饰过程，它影响蛋白质正确折叠、分泌和信号转导等，在很多生物过程中发挥重要作用，但其对生物合成酶催化功能的影响鲜有报道。而串联[4+2]环加成是连续发生两步[4+2]反应以构建复杂多环系统，因此广泛用于合成具有复杂多环结构的药用天然产物。近年来虽然陆续有多种[4+2]环化酶被报道，但都局限于催化单次[4+2]反应。自然界是否具有串联[4+2]环化酶，以及什么样的特征能让这种酶具备如此罕见的催化功能一直悬而未决。
研究团队以复杂多环的抗肿瘤天然产物eupenifeldin和pycnidione的生物合成研究为契机，利用真核表达系统实现了生物合成酶EupfF及其同源蛋白PycR1的异源表达，并通过亚细胞定位、蛋白质谱和体外生化等实验，确定了该类生物合成酶具有糖基化后修饰特征，且络合了金属钙离子，从而具有罕见的催化串联[4+2]环化反应的新功能（图）。同时，利用真核异源表达系统实现了eupenifeldin和pycnidione的生物合成，为这两个资源有限的活性分子的成药性研究提供了物质保障。进一步，研究团队基于高分辨的蛋白-底物复合物晶体结构、量子力学计算模拟以及点突变实验提出了酶的完整催化机理，并发现糖基化调控酶催化活性的新机制。其中，糖基化赋予蛋白对催化中心钙离子的高度亲和性，而钙离子既有催化作用又有重要的结构性作用，二者协同调控酶的催化中心，促进复杂串联[4+2]反应的发生，并极大提升酶的催化效率。
该研究揭示了翻译后修饰和金属离子协同影响生物合成酶的催化功能，这为新型生物催化剂的设计与改造提供了新的方向，而串联[4+2]环化酶的发现和催化机制的阐明也为复杂多环药用天然产物的生物合成带来新的启示。