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Angew. Chem. :生物催化甾体C9α羟基化-重排级联反应高效合成9,10-开环甾体天然产物2024-05-09
甾体作为仅次于抗生素的第二大类药物,在医药健康等领域扮演着十分重要的角色,9,10-开环甾体(9,10-secosteroids)是一类重要的亚家族,其主要来源于海洋柳珊瑚,具有抗肿瘤、抗病毒、抗炎、免疫调节等多样的生物活性。

近日,中科院上海有机化学研究所生命过程小分子调控全国重点实验室的多个研究团队密切合作,报道了一种化学-酶催化的合成策略通过3~8步便可简洁、高效、家族式地合成10种9,10-开环的甾体天然产物。

受到细菌甾醇降解途径的启发,研究人员提出了以高效、高选择性的甾体C9α-羟基化和C9-C10键断裂为关键步骤的9,10-开环甾体合成策略。由于受到空间位阻等因素影响,目前实现甾体C9α-羟基化依然存在很大挑战。经典的化学方法要实现甾体C9α-羟基化往往需要使用导向基、苛刻的反应条件或多步转化,合成效率很低。而目前仅有少量的生物催化甾体C9α-羟基化的例子被报道,包括使用Pseudomonas sp.等菌株、细胞色素P450酶CYP260B1、非血红素α-KG氧化酶SptF等,但这些催化均存在反应效率低、选择性差等局限。KSH是一种Rieske型非血红素氧化酶,可以催化甾体C9α-羟基化从而促进胆固醇的降解,但目前对于该酶的研究较少,其应用也仅限于对9-OHAD的合成。

 

 

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图1.甾体C9α-羟基化前期研究和化学-酶法策略合成9,10-开环甾体天然产物

为了高效实现甾体的C9α-羟基化,研究人员首先从红球菌(Rhodococcus rhodochrous)和新金色分支杆菌(Mycobacterium neoaurum)中找到了一些KSH酶,通过筛选和比较研究发现这些酶均可以非常专一地实现甾体C9α-羟基化,随后自发发生C9-C10键断裂开环重排,生成9,10-开环甾体产物,其中KshA3/KshB反应活性最高,进一步条件优化可使其转化率提高至92.3%。接着,研究人员进行了底物拓展研究,发现该酶不仅可以兼容各种共轭双烯酮底物,还能兼容共轭单烯酮底物,产率最高可达97%。

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图2. 反应条件优化及底物拓展研究

为了研究酶催化反应机制,研究人员进行了酶的反应动力学、结构预测、分子对接计算和点突变等实验,提出了酶通过关键氨基酸Y226、N251及水分子介导的氢键网络来识别和定位甾体底物,从而实现高效性和专一性地催化甾体C9α-羟基化。

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图3. 酶催化反应机制研究

基于设计的合成策略,研究人员利用化学-酶催化方法,通过3~8步实现了10种9,10-开环甾体天然产物的高效合成。进一步的抗菌活性测试及构效关系研究表明,该类化合物对耐万古霉素粪肠球菌(Enterococcus faecalis)具有抑制活性。

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图4. 化学-酶法合成10种9,10-secosteroid海洋天然产物

该研究显示了化学-酶法合成策略的潜力和重要性,促进了9,10-开环甾体生物合成的机制理解,为高效合成该类天然产物提供了新的方法,并为进一步的生物学功能研究提供了基础。

文信息

Biocatalytic Steroidal 9α-Hydroxylation and Fragmentation Enable the Concise Chemoenzymatic Synthesis of 9,10-Secosteroids

Hanxin Song, Zeliang Zhang, Prof. Chunyang Cao, Dr. Zhijun Tang, Prof. Jinghan Gui, Prof. Wen Liu

有机所博士研究生宋瀚鑫和张泽良为论文的共同第一作者,曹春阳研究员、汤志军副研究员、桂敬汉研究员和刘文研究员为通讯作者。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202319624

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