中国科学家解析蛇足石杉中哌啶酸的双步成环分子反应机制

2018年3月28日，美国化学会有机化学快报《Organic Letters》在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所肖友利研究组题为“Insights into Pipecolic Acid Biosynthesis in Huperzia serrata”的研究论文。该研究从重要药用植物蛇足石杉(Huperzia serrata)中成功鉴定和表征了哌啶酸（pipecolic acid (Pip)）六元饱和氮杂哌啶环合成的关键基因，HsAld1和HsSard4, 利用稳定同位素标记的分子化合物，通过精细的生物化学表征，细致的解析了哌啶环合成途径中氨基转移酶（aminotransferase）和酮胺还原酶（ketimine reductase）两步的酶催化分子反应机制。

中国传统草药千层塔（蛇足石杉）是含有最丰富种类石松类生物碱的典型植物，以石杉碱甲为代表的该类生物碱具有丰富的生物活性，是乙酰胆碱酯酶的有效抑制剂，临床上用于预防和治疗治疗阿尔兹海默症(认知障碍症)。石松类生物碱分子骨架中含有标志性的六元氮杂环-哌啶环，解析该类分子模块的形成机制是突破石松类生物碱复杂骨架生物合成的关键。虽然哌啶环的生物合成在原核链霉菌中有详细报道单个酶负责完成，在真菌及动植物中也推测需要两步酶反应，但是相应的分子机制不太清晰。因此，该组研究人员将石松类生物碱分子骨架进行了理性合成模块的拆分，推测哌啶酸（Pip）可能作为石松类生物碱生物合成前体。通过研究组前期系列工作中针对该植物建立的定量代谢组学数据中哌啶酸的分析（Synthetic and Systems Biotechnology, 2018, 1, 44-55.），基于深度测序获得的转录组数据（BMC Genomics. 2017, 18, 245）挖掘获得此类基因，即HsAld1和HsSard4。在这项研究中，作者利用稳定同位素的分子底物，进一步发展了前期衍生化检测分析方法（Phytochemistry. 2017, 136, 23-30.），通过一系列的生物化学实验表明，HsAld1首先将L-赖氨酸的α位氨基转移给丙酮酸，生成L-丙氨酸和KAC（-amino-α-ketocaproic acid），KAC会自发缩合形成席夫碱型的酮胺1,2-DP（1,2-dehydropipecolic acid），1,2-DP在水相中又可以进一步异构化为烯胺2,3-DP。之前曾有报道拟南芥中还原酶Sard4会以2,3-DP为直接生理底物，还原生成Pip。然而，本研究发现，HsSard4特异性的选择1,2-DP为底物还原生成Pip，并且高立体选择性的引入手性合成天然的“L”型。此外，作者通过细致的氢氘交换实验，证明了可能的几个中间体（KAC，1,2-DP和2,3-DP）在生理条件下以动态平衡相互转化形式的存在。

本研究是肖友利研究组在“石杉碱甲合成生物学”系列工作之一，该工作填补了石松类生物碱生物合成途径中潜在哌啶环模块解析的空缺并为进一步解析生物合成途径奠定了基础。值得一提的是，最近有研究报道在拟南芥中哌啶酸及其合成代谢通路中的代谢物也是拟南芥免疫通路SAR（Systemic Acquired Resistance）的重要信号激活分子，具有重要的生理功能。

该研究工作主要由研究组博士生徐宝福同学完成，得到中科院先导B预演项目、国际合作大科学培育计划和上海市科委等经费的资助。小分子核磁和质谱的测试工作得到了中科院上海植生所公共技术服务中心代谢组学与蛋白互作技术平台的支持。

论文链接：pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.8b00523