中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生命有機化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室周佳海課題組和美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）唐奕課題組合作，解析了高分辨率的LepI及其與底物類(lèi)似物或產(chǎn)物4、5、6的復合物晶體結構，并通過(guò)與UCLA的Kendall Houk課題組合作開(kāi)展理論計算工作，系統地闡釋了LepI催化的分子機制。該工作于7月22日在線(xiàn)發(fā)表在《自然-化學(xué)》（Nature Chemistry）上。周佳海課題組的博士生蔡毓娟、唐奕課題組的博士后Yang Hai和Masao Ohashi并列為論文第一作者。
周環(huán)反應在合成領(lǐng)域中非常重要，它能夠同時(shí)構建多個(gè)碳-碳/碳-雜原子鍵，并且往往具有很高的區域選擇性和立體選擇性。而新型周環(huán)酶的發(fā)現及其催化機制的解析，對未來(lái)周環(huán)反應的開(kāi)發(fā)具有重大的推動(dòng)意義。但在自然界中，催化周環(huán)反應的酶卻鮮少報道。
2017年，唐奕課題組報道了一種S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依賴(lài)的多功能周環(huán)酶LepI，它既能催化雜Diels-Alder（HDA）反應，又能催化逆Claisen重排反應（Nature, 2017, DOI: 10.1038/nature23882）。LepI屬于O-甲基轉移酶家族，但是它卻沒(méi)有甲基轉移酶活性。為什么該酶可以立體選擇性地催化脫水反應、HDA反應和逆Claisen重排反應？SAM的作用又是什么？為了回答這些問(wèn)題，周佳海課題組和唐奕課題組、Kendall Houk課題組合作，進(jìn)行了深入研究。
LepI蛋白的母體結構通過(guò)硒的單波長(cháng)散射方法被解析。在該結構中，兩分子的LepI以N端結構域互相纏繞交錯在一起，而C端結構域則是具有O-甲基轉移酶家族典型的Rossman折疊這種超二級結構，且每分子的LepI結合一分子輔酶SAM。結合LepI與4、5、6復合物結構以及對過(guò)渡態(tài)復合物結構的計算和生化實(shí)驗，該文提出LepI在催化脫水反應過(guò)程中，H133作為堿對吡啶酮上的羥基攫氫，R295以及附近的氫鍵網(wǎng)絡(luò )促進(jìn)了這一反應。而在HDA反應和逆Claisen重排反應中，SAM、H133和R295以及活性口袋中的其他極性殘基協(xié)同作用，產(chǎn)生一個(gè)合適的電場(chǎng)，使反應物處于適宜反應發(fā)生的取向，穩定過(guò)渡態(tài)，降低能壘，實(shí)現靜電催化，促進(jìn)反應的發(fā)生。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院先導B項目、上海市科委國際合作項目以及上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項目的資助。
圖 LepI催化的脫水反應、HDA反應和逆Claisen反應以及晶體結構中所使用的底物類(lèi)似物
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