非核糖体肽合成酶（Nonribosomal peptide synthetases, NRPS）是一类参与活性天然产物生物合成的多酶复合体，其缩合结构域（Condensation domain, C）负责催化上游氨基酰基底物与下游氨基酸的缩合形成肽键。然而经过长期演化，缩合结构域衍生出多种功能，其中就包括催化分子内环化和产物释放的末端缩合结构域（Terminal condensation-like domain, CT）。 多年来，人们试图全面阐释NRPS中缩合结构域催化机制，以丰富了对该类天然产物生物合成规律的认知。目前有研究认为其保守基序“HH×××DG”中组氨酸广义碱催化反应促使α-氨基去质子化，从而介导亲核进攻；另有研究则提出，质子化的组氨酸通过稳定酰胺负离子中间体来促进亲核进攻。武汉大学/华中科技大学孙宇辉教授、武汉大学张郑宇副教授和上海交通大学赵一雷教授通过多学科合作，对发现自微生物天然产物——杭泰霉素（Hangtaimycin）中具有独特核心基序“RPW×××DG”的末端缩合结构域HtmB2-CT催化形成末端二酮哌嗪的机制进行了解析。他们利用冷冻电镜解析了HtmB2-CT蛋白的三维结构，并结合分子对接和分子动力学模拟，揭示了HtmB2-CT与底物分子的相互作用网络，并定位了关键氨基酸残基。基于结构分析，通过体内实验验证了环化前体区域的氨基酸残基功能，发现HtmB2-CT的活性与R2776的碱性呈正相关。量子力学模拟计算和体外实验结果进一步揭示，底物分子中N18原子的pKa值因下游烯酰胺取代基的吸电子效应而降低，易于去质子化形成酰胺负离子。在HtmB2-CT中，靠近的精氨酸残基R2776的胍基正离子通过静电作用稳定了酰胺负离子中间体，从而促进亲核反应的发生。这一研究深入解析了HtmB2-CT在杭泰霉素生物合成中以关键精氨酸残基作为酰胺负离子稳定器助推末端二酮哌嗪环形成的机制，它不仅深化了对NRPS衍生的二酮哌嗪类天然产物生物合成途径的理解，更为设计新型NRPS天然产物提供了新的指导。
论文信息 Formation of the Diketopiperazine Moiety by a Distinct Condensation-Like Domain in Hangtaimycin Biosynthesis Qing Mei, Dr. Shijuan Wu, Dr. Minghe Luo, Shunjia Ji, Jiayi Guo, Dr. Chuan Dong, Guo Sun, Jian Wang, Prof. Dr. Zixin Deng, Prof. Dr. Yi-Lei Zhao, Zhengyu Zhang, Prof. Dr. Yuhui Sun Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202421950
