JACS：乙酰半胱氨酸咔啉的生物合成

β-咔啉是一类具有三环吡啶并[3,4-b]吲哚骨架的植物生物碱。这类生物碱具有广泛的生物活性，如抗肿瘤、抗真菌、抗病毒等。乙酰半胱氨酸咔啉（kitasetaline，1）是少有的从细菌中分离出来的β-咔啉，它在结构上的独特之处在于其β-咔啉骨架通过一根硫醚键连接了一个乙酰半胱氨酸基团。然而，这扮演关键角色的硫醚键是如何生成的还从没被研究过。近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的刘鸿文教授（点击查看介绍）课题组成功地在体外重构了乙酰半胱氨酸咔啉的生物合成途径，并揭示了其特别的硫醚键生物合成机制。

图1. 乙酰半胱氨酸咔啉生物合成途径的总结

乙酰半胱氨酸咔啉的基因簇（ksl）是由日本大阪大学的Kitani教授课题组首先发现并在2019年发表于文献中。基于先前体内实验的结果，刘鸿文教授课题组的研究者在体外证明了KslB是一个皮克特-施彭格勒酶（pictet-spenglerase），其催化L-色氨酸（2）和α-酮戊二酸（α-KG）的缩合，形成化合物3。其次，KslA是一个含黄素的氧化还原酶，它催化化合物3的四电子氧化，从而形成化合物4，并释放一分子的二氧化碳。另外，KslC是一个细胞色素P450酶。体外实验证明KslC催化化合物4的氧化脱羧，生成乙烯基化合物5。KslC还可以进一步地催化乙烯基化合物5的氧化，生成N-羟基化的产物6。因此KslC是一个双功能P450脱羧酶。

重要的是，乙酰半胱氨酸（7）可以在没有酶催化的条件下，亲核加成到乙烯基中间体5上，形成碳硫键，从而生成乙酰半胱氨酸咔啉（1）。这一结果有别于先前提出的乙酰半胱氨酸咔啉的形成要经过含有放线硫醇（mycothiol）中间体的生物合成模型。因此，该项工作不仅显示了β-咔啉化合物的生物合成中存在不少有趣的化学反应，而且还增加了我们对生物硫醇化反应的了解。这类反应或许通常不是酶催化的，而是由底物的亲电活性促成的。

上述的成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。美国德克萨斯大学奥斯汀分校刘鸿文教授课题组的研究生郑子阳为该文的第一作者，刘鸿文教授为该文的通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

In Vitro Characterization of Kitasetaline Biosynthesis Reveals a Bifunctional P450 Decarboxylase and a Vinyl β-Carboline Intermediate Susceptible to Nonenzymatic Thiol Addition

Ziyang Zheng, Heewon Choi, Hung-wen Liu*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c11552

研究团队介绍

刘鸿文教授，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）自然科学学院化学系以及药学院化学生物学和药物化学系教授。刘教授团队的研究兴趣在于化学和生物学交叉学科的重要科学问题，近年来主要致力于阐明重要天然产物生物合成酶的催化机制，包括生物合成中涉及的自由基转化与碳-碳键生成的详细机制。其团队在国际著名学术杂志发表了多项具有重要影响力的研究成果。

刘鸿文

https://www.x-mol.com/university/faculty/361 

实验室网站

https://sites.utexas.edu/liu/