2,5-二酮哌嗪类化合物（2,5-diketopiperazines, DKPs）是自然界中广泛存在的一类杂环生物碱，其因良好的生物和药理活性而受到广泛关注，例如抗革兰氏阴性菌的抗生素bicyclomycin和抗肿瘤候选药物plinabulin。DKPs的核心骨架结构是由两个α-氨基酸通过肽键缩合而成的环二肽(cyclodipeptide, CDP)，稳定的六元环骨架使其在药物化学中成为一个重要的药效团。在生物体内，真菌来源的CDPs主要由非核糖体肽合成酶(non-ribosomal peptide synthetase, NRPS)途径合成，放线菌来源的CDPs大多是通过环二肽合成酶(cyclodipeptide synthase, CDPS)途径合成。其中CDPS通常与环二肽氧化酶、细胞色素P450酶、甲基转移酶、异戊稀基转移酶等后修饰酶聚集成簇进而合成结构复杂的天然产物，因而近年来受到了研究人员的广泛关注。
随着高通量测序技术的快速发展，基因组挖掘策略已经成为发现新颖天然产物和新功能酶的强有力工具。前期德国马尔堡大学药学院李书明教授团队通过基因组挖掘发现了一类独特的与CDPS相连的细胞色素P450酶负责合成新颖的鸟嘌呤化的吲哚生物碱guanitrypmycins和guatrypmethines（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11534-11540; ACS Catal. 2022, 12, 648-654）。近日，该团队利用该策略又发现了一类广泛分布于链霉菌中仅由CDPS和细胞色素P450酶组成的基因簇（gym），并通过体内异源表达和体外酶学研究证实该细胞色素P450酶GymB是一类独特的双功能酶，具有催化环二肽分子内碳-碳氧化偶联反应和核酸碱基转移活性，为DKPs的结构改造提供了潜在工具。 作者以CDPS基因为导向对数据库中与之相连的P450酶基因进行检索，通过构建系统发育进化树分析发现至少有47个P450酶与负责催化分子内偶联的P450酶CYP121具有较近的亲缘关系，因此选取了其中6个代表性P450酶所在的基因簇进行深入研究。首先，在大肠杆菌中单独表达CDPS基因gymA，证明该基因负责cyclo-l-Tyr-l-Tyr (1)以及cyclo-l-Tyr-l-Phe (2)的合成。随后，将gymA和P450酶基因gymB在链酶菌中共表达，结果发现共表达菌株不仅积累分子内碳-碳氧化偶联产物mycocyclosin (3)，同时也生产一类鸟嘌呤或次黄嘌呤与1通过分子间偶联形成的新颖DKP衍生物guatyromycines A/B (4/5)。体外酶学实验进一步证实该细胞色素P450酶GymB可同时催化分子间和分子内的偶联反应。最后，作者对GymB的催化机理进行了推测，血红素-Fe(Ⅳ)=O (Cpd I)首先从酪氨酸残基C11-OH提取一个氢原子形成氧自由基，随后通过电子迁移、自由基结合和重芳构化分别形成三个产物3、4、5。 综上所述，本研究利用CDPS基因作为线索从数据库中发现了一类在链霉菌中广泛分布且具有独特双功能的细胞色素P450酶GymB，为后续新颖DKPs的发现和结构改造奠定了基础。 论文信息 Widely Distributed Bifunctional Bacterial Cytochrome P450 Enzymes Catalyze both Intramolecular C-C Bond Formation in cyclo-l-Tyr-l-Tyr and Its Coupling with Nucleobases Jing Liu, Lauritz Harken, Yiling Yang, Xiulan Xie, Shu-Ming Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202200377
