微生物II型聚酮化合物是小分子化學藥物的重要部分，如抗腫瘤藥物四環素、阿黴素等均屬于II型聚酮類化合物。從生物合成角度分析，II型聚酮化合物主要是由II型聚酮合酶、酮基還原酶、環化酶或芳香化酶催化形成線性或角型的多酚環聚酮骨架，随後氧化還原後修飾酶可以催化聚酮骨架中間體氧化重排形成結構複雜、活性良好的II型聚酮天然産物。因此，在基因和蛋白水平上對這些分子内的碳骨架重排過程進行研究，對發現新穎的酶催化機制、探究其構效關系具有重要意義。
Chartreusin是一強效抗腫瘤芳香聚酮化合物，早期13C标記實驗表明其獨特的五環芳烴雙内酯結構是經過非同尋常的碳骨架氧化重排而來。在先前的研究中，戈惠明、譚仁祥教授團隊揭示了雙加氧酶ChaP催化鄰苯醌底物3通過氧化脫羧的方式形成chartarin （2）的分子機制（J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 10909）。按照推測由resomycin C（4）到鄰苯醌産物（3）的生物合成過程中，聚酮骨架發生了顯而易見的重排，但如何重排至今未解。
目前，該團隊進一步研究揭示了由四環resomycin C（4）到五環的鄰苯醌産物（3）僅需兩個酶ChaZ和ChaE即可完成這一複雜的氧化重排過程。
早在2005年，德國Christian Hertweck教授實驗室，鑒定了chartreusin的生物合成基因簇，并初步推測了其合成途徑，他們從chaZ的基因敲除突變株中分離得到resomycin C，但由于化學回補的失敗并未證實resomycin C是否是chartreusin的生物合成的中間體。基于此，作者首先敲除黃素依賴單加氧酶的編碼基因chaZ，并累積到線性四環産物resomycin C（4），由于4的溶解度很低，通過加入吐溫-80有效地提高了溶解度，并成功實現了化學回補，證明resomycin C是chartreusin生物合成的關鍵中間體（圖-1B）。進一步，經體外酶學生化表征，證明了ChaZ可對resomycin C進行Baeyer-Villiger氧化形成插氧化合物，但由于自身的不穩定性，可快速自發水解形成開環化合物5。
圖-1. A）Chartreusin的生物合成路線推測；B）野生型及突變株代謝産物HPLC分析；C）Resomycin C在釀酒酵母RC01中的生物轉化
進一步，通過與蒽環黴素類化合物aklavinone和nogalamycin的生物合成基因簇進行比對，作者定位到三個酮基還原酶ChaD、ChaE和ChaL可能參與到chartreusin的氧化重排後修飾過程中（圖-2D）。通過生物信息學分析、基因敲除、異源表達等揭示了chaE是參與chartreusin氧化重排的關鍵基因（圖-1）。通過體外酶學實驗證實了ChaE在輔因子NADPH的作用下，催化化合物6的還原，生成五環化合物3（圖-2E）。
圖-2. ChaZ和ChaE的功能表征
進一步，通過密度泛函理論計算對ChaE催化機理進行推測。首先在II型PKSs作用下遵循經典的蒽環黴素生物合成途徑生成線性四環中間體4，由于受到C11位羟基影響，C13内酯羰基更容易被ChaE還原形成半縮醛的形式IM1，自發開環形成末端醛基IM2，環系翻轉後自發縮合形成新的C-C鍵，随後自發的内酯化、氧化及芳構化形成五環的鄰苯醌産物3。DFT計算表明，一旦半縮醛形成之後，後續的反應可以自發快速的進行（圖-3）。
圖-3. DFT計算ChaE催化過程中所需的吉布斯自由能
至此，作者解析了chartreusin完整的氧化重排過程，發現在chartreusin生物合成過程中通過一線性四環化合物到角型五環化合物的重排過程非常簡潔，僅需兩個酶就可實現。ChaZ催化一Bayer-Villager類型的插氧反應，緊接着ChaE催化一酯基的還原反應并伴随着一系列的自發反應形成五環化合物，這是目前已知的首個可催化酯基還原的酮基還原酶，該研究揭示了這一抗腫瘤分子chartreusin最後遺留的生物合成謎團。
該研究以“An NADPH-dependent Ketoreductase Catalyses the Tetracyclic to Pentacyclic Skeletal Rearrangement in Chartreusin Biosynthesis”為題于2021年9月30日在線發表于化學領域權威期刊Angew. Chem. Int. Ed.雜志（https://doi.org/10.1002/anie.202112047）。伟徳国际官网登录入口博士研究生焦方文和已畢業博士研究生王以爽為文章的共同第一作者，生科院戈惠明、焦瑞華、譚仁祥和化學化工學院梁勇教授為文章的共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家傑出青年基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。