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Angew. Chem. :細胞色素P450酶催化紫杉醇四元氧環的形成2024-08-19
紫杉醇為臨床上治療多種惡性腫瘤最有效的化療藥物之一,需求量巨大。由于其天然含量低且化學合成困難,藥源緊張,價格昂貴。當前,紫杉醇的生物合成被認為是一條有效解決其資源緊缺的可行策略。盡管紫杉醇的生物合成已經取得了巨大進展,但其完整生物合成途徑至今尚未完成解析,尤其是介導形成紫杉醇分子中特征性藥效基團—四元氧環結構單元 (oxetane ring) 相關酶及其酶學機制至今尚不十分清晰,亦是學術界討論的熱點。

近日,中國醫學科學院藥物研究所戴均貴教授團隊從穩產紫杉醇的曼地亞紅豆杉愈傷組織中發現并功能鑒定了負責催化形成紫杉醇四元氧環的四元氧環合酶oxetane synthase (TmCYP1),通過關鍵底物飼喂、同位素標記 (氘標記和18O標記)實驗,結合化學計算等手段系統闡明了該P450酶介導紫杉醇四元氧環形成的酶學機制,為理解紫杉醇的生物合成提供了科學依據,亦為實現紫杉醇生物合成途徑的完全解析和異源重構奠定了基礎。

該研究通過化學合成兩個關鍵底物1和2對四元氧環合酶TmCYP1進行了功能鑒定,發現TmCYP1能催化底物1生成一個主要四元氧環衍生物1a和一個次要4(20)-環氧化產物1b;而TmCYP1催化底物2僅能產生4(20)-環氧化產物2b。由此得出:四元氧環的形成需要C5位乙酰基的參與;C5位乙酰基存在或不存在,該酶均可催化4(20)-雙鍵的環氧化反應

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圖1. 四元氧環合酶TmCYP1功能鑒定

為進一步研究四元氧環的形成機制,設計了兩組同位素標記實驗:C5位乙酰基的甲基氘標記實驗和C5位乙酰氧基的羰基氧原子18O標記實驗。通過本氏煙草底物飼喂發現底物中C5位氘標記的甲基遷移到了產物的C4位,而底物中的C5位18O標記的羰基氧原子出現在產物中與C4位直接相連的氧原子。上述同位素標記實驗直接證明了在四元氧環的形成過程中,C5位的乙酰氧基遷移到C4位,在此過程中C5乙酰氧基的兩個氧原子發生了互換。

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圖2. 同位素標記實驗

基于此,作者提出了四元氧環的形成機制:在四元氧環合酶作用下,4(20)-雙鍵和C5-OAc之間發生氧化-重排,四元氧環的形成可能是一步協同反應。作者進一步通過DFT計算驗證了該機制的合理性。

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圖3. 四元氧環形成機制

隨后,作者設計合成了其他6個不同氧化水平的底物用來探討四元氧環合酶TmCYP1底物譜,發現該酶僅能催化高氧化水平的底物(至少5個氧取代的紫杉二烯)。該結果亦提示紫杉醇四元氧環的形成位于紫杉醇生物合成的后期階段,與自然界中存在的紫杉烷類化合物結構特點一致。

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圖4. 四元氧環合酶TmCYP1底物譜考察

該研究發現并功能鑒定了負責紫杉醇四元氧環形成的四元氧環合酶,通過多種手段闡明了紫杉醇四元氧環的形成機制,為紫杉醇的完整生物合成途徑解析和異源重構奠定了基礎。

文信息

A Cytochrome P450 Enzyme Catalyses Oxetane Ring Formation in Paclitaxel Biosynthesis

Dr. Changkang Li,?Xinxin Yin,?Dr. Shuai Wang,?Songyang Sui,?Dr. Jimei Liu,?Xincheng Sun,?Jinming Di,?Dr. Ridao Chen,?Dr. Dawei Chen,?Yaotian Han,?Dr. Kebo Xie,?Prof. Jungui Dai

文章的第一作者為中國醫學科學院藥物研究所博士后李常康博士 (現已入選“協和青年學者支持計劃”) 和博士生尹欣欣,通訊作者為解可波、戴均貴研究員。該項目得到了國家重點研發計劃(2020YFA0908000)以及醫科院醫學與健康科技創新工程(No. 2021-I2M-1-029)的支持。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202407070

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