近日，中國海洋大學醫藥學院、海洋藥物教育部重點實驗室、青島海洋科技中心海洋藥物與生物制品功能實驗室張國建教授團隊，在氮雜/硫雜倍半萜類化合物生物合成過程中環重排-芳構化機制研究方面取得新進展，研究成果以“Nucleophilic Addition Promoted Ring Rearrangement-Aromatization in Aza-/thio-sesquiterpenoid Biosynthesis（在氮雜/硫雜倍半萜類化合物生物合成中通過親核加成促進的環重排與芳構化反應）”為題，發表在國際頂尖期刊Nature Communications（《自然-通訊》）。
芳構化是天然產物生物合成中一個至關重要的過程，賦予分子獨特的化學穩定性和生物活性。在萜類化合物中，芳構化通常涉及復雜的骨架重排，其背后的酶促機制非常獨特且鮮有研究。艾里莫酚烷（eremophilanes）是一類結構多樣、生物活性顯著的重要倍半萜類天然產物，具有良好的藥用開發潛力。從生物合成路徑來看，所有eremophilanes均起源于馬兜鈴烯骨架，由法尼基二磷酸（FPP）在馬兜鈴烯合酶（AS）催化下通過環化反應生成。不同于傳統倍半萜類化合物，eremophilanes家族中多個成員含有芳香結構，其形成涉及多異戊二烯骨架的斷裂與重排，但具體機制尚未被研究報道（圖1）。
圖1 馬兜鈴烯及艾里莫酚烷型倍半萜的代表性結構
研究團隊首先從一株海洋淡紫青霉Penicillium janthinellum H7-4中發掘出一個沉默的倍半萜類生物合成基因簇（jan cluster），并通過在野生菌株中過量表達該基因簇中的途徑特異性轉錄因子JanG，成功激活了該基因簇，獲得了具有芳香結構的eremophilanes類倍半萜衍生物farfugin A。為進一步解析其生物合成潛力，研究團隊將janA-F功能基因在模式菌株Aspergillus nidulans A1145中逐步異源表達，成功獲得了包括farfugin A和一類新穎的由eremophilane骨架與L-蘇氨酸雜合而成的芳香倍半萜-氨基酸加合物aza-janthinellin A。后續生物合成機制研究進一步揭示，在farfugin A與aza-janthinellin A的合成過程中均存在由（氧或氮原子）親核加成引發、并伴隨[1,2]-烷基遷移的環重排機制，最終完成芳香化的過程。尤其在aza-janthinellin A形成過程中，一個FAD依賴型單加氧酶JanF被證實能夠催化氧化烯丙醇從而生成，具有高反應活性的α,β-不飽和醛中間體，進而接受伯胺類試劑的親核攻擊，以此引發骨架的烷基化遷移和芳香化重排。研究還發現JanF可通過其活性口袋中的Asn273殘基穩定C8-羰基，選擇性地引導α,β-不飽和酮發生1,2-加成而非1,4-加成，這一過程是構建芳香骨架的關鍵步驟（圖2）。在此基礎上利用JanF強大的催化功能，多種伯胺試劑與具有α,β-不飽和醇的eremophilane底物進行孵育，可以獲得結構多樣、活性良好的一系列氨基酸-eremophilane加合產物。
圖2 Farfugin A和aza-janthinellins型eremophilenes的形成機制
基于AlphaFold2預測的JanF三維結構與底物對接分析，以及Tyr158/Asn273等關鍵位點的點突變實驗證實，上述殘基對JanF的氧化功能及區域選擇性至關重要。為進一步探究JanF的底物寬泛性，研究人員將C6-7位含雙鍵的eremophilane喂養到過表達JanF的A. nidulans A1145菌株中，成功獲得了一系列與胞內巰基代謝物（如β-巰基丙酮酸）發生邁克爾加成的新型芳香倍半萜衍生物，并將其命名為thio-janthinellins（圖3）。其中部分化合物對慢性髓系白血病K562細胞表現出顯著細胞毒活性（IC50分別為2.63 μM與3.72 μM），另有部分化合物則對多重耐藥菌具有抑菌作用（MIC=16–32 μM），顯示出潛在的醫藥應用價值。
圖3 分子對接揭示了JanF的底物寬泛性，并基于此獲得了一系列thio-jathinellins
綜上所述，研究團隊首次發現了一種由親核進攻引發的萜類骨架重排與芳香化的新機制，并證實黃素酶JanF是催化烯丙醇末端基團生成α,β-不飽和醛的關鍵因素。研究人員成功利用化學酶法合成，獲得系列新骨架氮雜/硫雜結構化合物，為該類芳香族化合物的藥用潛力開發，提供了切實可行的路徑。
中國海洋大學為該論文的唯一通訊單位，醫藥學院張國建教授為通訊作者，醫藥學院博士研究生徐恒義為第一作者。研究工作得到國家自然科學基金、青島海洋科技中心、山東省泰山學者青年專家計劃及山東省自然科學基金重大基礎研究等項目的資助。張國建教授主要從事活性天然產物分子的發現、生物合成及微生物代謝工程研究，目前在Sci. Adv.，Nat. Commun.，Metab. Eng.，Curr. Opin. Biotech.等SCI期刊發表50余篇高水平學術論文。
團隊合影（右一為張國建，左二為徐恒義）
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62075-4
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