苯環廣泛存在于生物體中，其芳香共轭結構可促進藥物與靶标關鍵殘基相互作用，從而發揮藥效。然而關于自然界是如何合成這一芳香基團，苯環合成通常有兩種方式：（1）在初級代謝中，莽草酸途徑是芳香族氨基、羟基酸生成的常見途徑，這些芳香族氨基、羟基酸是大多數生物合成苯衍生物的主要來源；（2）在次級代謝中，II型聚酮合酶催化聚酮骨架發生羟醛縮合并芳構化形成苯環。至于是否自然界中存在其它形式的苯環合成途徑，學術界仍知之甚少。前期戈惠明課題組在對含肉桂酰基團的天然産物生物合成研究中首次發現了一類可催化多烯經6π電環化和氧化形成苯環的新機制（J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 7939–7948）。近日，聚焦這一科學問題，進一步發現一類細胞色素P450酶能夠高效簡潔地催化三烷基取代苯環的形成。
在前期的研究中，發現Lorneic acid是一類含1, 2, 4-三烷基取代苯環的聚酮抗生素，具有廣泛的生物活性（圖1）。這類分子的特點是苯環處于整個骨架的中間，其形成不可能是直接外源引入，而更可能是後期通過一種新的機制形成。
圖1、Lorneic acid及其類似物
圖2、新型苯環合成基因及其路徑
該團隊的研究發現P450酶LonP可催化線性多烯4氧化芳環化生成含苯環産物lorneic acid（2）（圖2）。在此基礎上，研究者推測自然界這類分子中的苯環都是由P450酶催化形成。為了驗證這一假說，研究者以LonP為探針進行分析發現12條含有保守P450酶的同源基因簇，推測這些基因簇極可能負責合成lorneic acid的結構類似物。經培養基篩選和優化，研究者果然鑒定出4個新型三烷基取代苯環的聚酮抗生素，基因敲除和體外生化實驗證實了細胞色素P450酶催化苯環的形成。至此，研究者發現了自然界由細胞色素P450酶催化苯環形成的嶄新機制。
為了闡明這類細胞色素P450酶的催化機制，研究者首先從量子計算出發，發現當底物以高能折疊構象進入酶的活性口袋，随後發生羟基化和6π電環化反應時，可顯著降低電環化能壘，從而加速反應進行。AlphaFold2 建模和分子動力學模拟同樣表明，相比與過渡态TS1，P450酶的受限活性口袋更容易容納過渡态TS2。那麼該類P450酶主要通過特異性結合底物優勢構象來降低電環化能壘，從而發生羟基化、電環化和脫氫級聯反應來高效構建苯環。（圖3）。
圖3、DFT計算及AlphaFold2建模
該工作清晰闡明了lorneic acid等一大類天然産物的生物合成機制，揭示了一種自然界嶄新的苯環合成策略，并極大地豐富了P450酶超家族的功能多樣性，相關工作發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202214026）。伟徳国际官网登录入口博士生楊雨蒙、趙爾娟和化學化工學院魏婉清博士為文章第一作者，伟徳国际官网登录入口戈惠明教授、焦瑞華教授和化學化工學院梁勇教授為通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然基金及中央高校基本科研業務費等項目的資助。
原文鍊接：https://doi.org/10.1002/anie.202214026