深海放线菌PTM类化合物生物合成中双功能环化酶PacC的结构生物学研究

Polycyclic tetramate macrolactams (PTMs) are a growing class of natural products with complex structures and diverse bioactivities. The carbocyclic ring systems play a great role in PTMs, while few is known for the cyclization mechanism.The alcohol dehydrogenase PacC was demonstrated as a bifunctional cyclase to mediate the formation of both six- and five-membered rings in PTMs. This project aims to unveil the substrate binding mode of PacC and the way to regulate enzymatic reaction routes, by crystal structures, site-directed mutation and in vitro biochemical assays, which will contribute to disclose the enzymatic machineries of PTMs polycycle formation.

多环大环内酰胺（Polycyclic tetramate macrolactams，PTMs）类天然产物具有多样化的结构特征和丰富的药理活性。在PTMs骨架中，多元碳环是重要结构单元，其生物合成的成环机制尚不明确。本课题组在前期研究中发现，来源于具有自主知识产权的深海放线菌Streptomyces sp.SCSIO 02999菌株中PTM合成基因簇中的环化酶PacC，可以同时识别5/5环型和5/6环型PTM底物，分别催化形成内部六元环和五元环，生成5/5/6环型和5/6/5型两种代表性PTMs。本项目拟进行PacC的结构生物学研究，解析PacC晶体结构及其分别与两类底物（或产物）/辅酶复合的结构，结合PacC及其同源酶IkaC的定点突变和体外酶学测试，精确认识这类酶识别底物和选择催化路径的分子机制，有助于阐明PTMs内部环化机理，为定向合成丰富多样的PTMs及其新药开发提供理论支持。

多环大环内酰胺类天然产物具有多样化的结构特征和丰富的药理活性。在PTMs骨架中，多元碳环是重要结构单元，其生物合成的成环机制尚不明确。本课题组在前期研究中发现，来源于具有自主知识产权的深海放线菌Streptomyces sp.SCSIO 02999菌株中PTM合成基因簇中的环化酶PacC，可以同时识别5/5环型和5/6环型PTM底物，分别催化形成内部六元环和五元环，生成5/5/6环型和5/6/5型两种代表性PTMs。本研究成功解析了PacC及其与三种产物的复合物晶体结构，以及IkaC结合NADP+的晶体结构，并通过突变得到新型产物，首次阐释了PacC和IkaC通过活性口袋残基调控亲核加成反应路径，最终实现酶催化类似分子内Rauhut-Currier反应的机制。跨链亲核加成在有机合成化学中广泛利用，如分子内Rauhut-Currier反应等，可以经济、高效合成碳环结构。然而，这种策略在酶催化中尚为见报道和解析。本研究成果将为设计人工酶催化碳环形成提供理论依据。