ChemBioChem：多硫代二酮哌嗪中跨环硫桥的形成

多硫代二酮哌嗪类化合物（Epidithiodiketopiperazines，ETPs）是一类具有生物和医学意义的重要环二肽，根据跨环二硫桥在二酮哌嗪母核（DKP）的连接位置，ETPs分为两类，分别具有α, α’-和α, b’-二硫桥，该结构单元与ETPs生物活性密切相关。研究ETPs的生物合成途径，尤其是跨环二硫桥的酶催化机制，将助力ETPs活性分子的定向挖掘和合成生物学应用。近日，中国科学院微生物研究所尹文兵课题组发表题为“Formation of bridged disulfide in epidithiodioxopiperazines”的Concept文章，系统整理了ETPs的生物合成及结构多样性形成机制，重点阐明了其中跨环硫桥的酶催化机制。

以烟曲霉胶霉毒素gliotoxin的生物合成为例，具有α, α’-二硫桥的ETPs生物合成包括四个步骤（图1）：i）非核糖体多肽合成酶NRPS催化环二肽骨架的形成；ii）在细胞色素P450氧化酶、谷胱甘肽转移酶、水解酶等作用下，在DKP母核α, α’-位置引入硫原子，形成硫醇；iii）具有CXXC motif的黄素依赖型氧化酶催化α, α’-二硫醇的氧化，形成α, α’-二硫桥；iv）其他修饰酶负责不同官能基团的氧化、甲基化等，形成具有α, α’-二硫桥的多种结构。

图1. 具有α, α’-二硫桥的ETPs生物合成途径

与之不同，具有α, b’-二硫桥的ETPs生物合成步骤更加复杂。以炭团木霉pretrichodermamides的生物合成为例，DKP母核经由细胞色素P450氧化酶、谷胱甘肽转移酶、水解酶等多步催化，形成具有α, α’-二硫醇和b’-羟基的中间产物（1）（图2）。具有CXXC motif的黄素依赖型氧化酶催化α, α’-二硫醇的氧化，形成α, α’-二硫桥（2）；之后，乙酰基转移酶催化b’-羟基的乙酰化，细胞色素P450氧化酶催化C5′, C6′-羟基化。以上步骤中形成的α, α’-二硫桥、b’-乙酰基和C5′, C6′-羟基，是构建α, b’-二硫桥的先决条件，具有CXXH/Q motif的黄素依赖型氧化酶经由关键中间体邻亚甲基苯醌（o-QM，4），催化α, α’-二硫桥迁移，形成独特的α, b’-二硫桥（5）。

图2. 具有α, b’-二硫桥的ETPs生物合成途径

通过对真菌硫桥形成相关的黄素依赖型氧化酶进行系统进化分析，作者阐明了ETPs中跨环二硫桥的酶催化机制。以GliT为代表，分子内的巯基氢被夺取从而形成阴离子，使蛋白内二硫桥断裂，在蛋白和底物之间形成瞬时共价键，由核黄素和O2辅助电子转移，最终形成α, α’-二硫桥。以TdaE和AclR为代表，组氨酸或者谷氨酰胺残基（His/Gln）夺取C5′-羟基氢，使得b’-乙酰基基团离去，形成关键中间体o-QM；半胱氨酸残基（Cys）进攻α, α’-二硫桥，使其发生迁移，形成α, b’-二硫桥和呋喃环（图3）。

图3. ETPs中跨环二硫桥的普适性形成机制

综上所述，作者对真菌ETPs结构进行系统性总结，整理归纳了复杂的生物合成途径，阐明了α, α’-和α, b’-二硫桥的普适性酶催化机制，为ETPs活性分子的酶法创制提供了理论基础。

论文信息

Formation of Bridged Disulfide in Epidithiodioxopiperazines

Dr. Jie Fan, Peng-Lin Wei, Prof. Wen-Bing Yin

ChemBioChem

DOI: 10.1002/cbic.202300770