Mai‐Truc Pham, Feng‐Ling Yang, I‐Chen Liu, Po‐Huang Liang, Hsiao‐Ching Lin
Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202401324

中央研究院 生物化學研究所  林曉青副研究員

Piperazines廣泛存在於活性化合物和藥物的化學結構，如抗腫瘤藥物Ecteinascidin-743和具有影響精神活性的 meta-chlorophenylpiperazine。源自苯丙氨酸(L-phenylalanine)的piperazine生物鹼，在其化學骨架的piperazine環上，常有多個芳香性官能基取代，由於piperazine六元環具有不同的構形異構和結構靈活性(flexibility)，因此在天然物中常可見到piperazine生物鹼引人入勝的多環融合環骨架。儘管它們具有重要的生物活性和結構多樣性，但其在自然界的生物合成途徑、遺傳和生化基礎，尤其是在那些具有融合雜環骨架的piperazine生物鹼，目前為止仍然不清楚。本研究以生物資訊方法在真菌 Penicillium arizonense的基因體序列中，找到生物合成基因簇 par，並發現在實驗室培養條件下， P. arizonense能夠生產多種piperazine生物鹼，純化並解析為具有特殊heterobicyclic isoquinolone新骨架的天然物arizonamides A和B。我們利用基因剔除實驗、異源表達和 in vitro酶反應實驗，表徵arizonamides的生物合成途徑，並發現兩種關鍵的非血紅素鐵酶，ParF和ParG，負責構建arizonamide和arizolidine的核心骨架。ParF具有雙重功能，既促進helvamide的2,3-烯烴形成，作為ParG的受質，又進行piperazine的氧化裂解。ParG在多種氧化反應中表現出催化多樣性，涉及環化和環重構。值得注意的是，我們鑑定出控制ParG形成受限arizonamide骨架的關鍵氨基酸。總體而言，這些酶的表徵將不僅有助於產生具有piperazine衍生的多環融合環骨架之化學複雜性，並將為這些酶的工程改造開闢新途徑。