甲基化试剂SAM的“菠菜”

动画片中的大力水手是一名普通的船员，然而他一吃菠菜就会变得力大无穷、无所不能。在生物化学中，也有一类这样的“菠菜酶”，可以使普通的反应试剂变得强效有力，使一些动力学上非常困难的反应得以成功实现。

甲基化是生物化学中极为重要的一类反应，几乎参与所有的生命过程，其中绝大部分的甲基化反应都是由S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM）作为甲基来源。SAM中的甲基具有较高的亲电性，反应以S_N2的亲核取代过程将甲基转移到甲基受体上。然而对于惰性或者亲电的位点，SAM作为甲基供体的反应非常难以实现。最近，复旦大学的张琪（点击查看介绍）课题组发展了一类全新的SAM依赖的甲基化酶NosN的催化机制。与普通的甲基化酶不同，该类酶先将一分子SAM转化成一个前甲基供体MTA，再利用单电子还原过程产生一个脱氧腺苷自由基，后者通过攫取MTA甲基上的氢产生一个MTA的亚甲基自由基。这种亚甲基自由基高度活泼，通过自由基加成和后续的还原反应可以实现非亲核不饱和碳的甲基化转化。这种酶独特的催化方式很好地突破了SAM甲基化反应中甲基受体需要具有亲核性的限制，大大拓展了人们对于甲基化反应机理的认识。该工作以VIP文章发表于Angewandte Chemie International Edition (Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3857)。文章发表以后受到国际同行的广泛关注，并得到美国化学会化学化工新闻周刊C&E News的报道（C&EN, 2017, 95, 7）。

Figure 1. NosN催化吲哚酸甲基化的反应机制

作者后续通过对酶催化反应的中间体进行详细的分析，发现其中多个核苷单元的反应中间体，为此前推测的酶催化机理提供了有力的证据。作者进而通过量化计算证实了催化反应中关键自由基中间体的去氢方式，为实验中观测到的中间体生成过程提供了很好的理论依据。他们进而通过拓展底物的适用范围，成功获得了多类核苷酸单元的中间体（Chem. Commun., 2017, 53, 5235)。

Figure 2. NosN催化过程生成的核苷酸产物

最近，作者与多家单位合作揭示了NosN催化反应中一种未知的载体蛋白NosJ。作者利用表面等离子共振（SPR）技术，证实了NosN与NosJ具有非常高的亲合力（K_D = 4.2 nM）。更为重要的是，与其他参与反应的蛋白（NosK、NosI）不同，NosN与NosJ的结合具有明显的快结合、慢解离的动力学特征，从而保证了甲基化反应能够充分地进行。作者进而通过多个基因敲除和体外生化实验证实了多步NosJ参与的反应途径。该工作发表于Nature Communications (Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00439-1)。

Figure 3. 载体蛋白NosJ与其相光蛋白的相互作用和反应途径

一系列工作证实了SAM自由基酶奇妙的反应性和多样化的催化机制，为惰性位点的甲基化反应提供了重要的理论基础，也为核苷类化合物的合成提供了新的思路。作者希望今后能有更多以SAM为基础的“菠菜酶”得以发现和阐明，利用和改造这类酶实现更多有意义的自由基反应。

参考资料

1. The Catalytic Mechanism of the Class C Radical S-Adenosylmethionine Methyltransferase NosN. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3857, DOI: 10.1002/anie.201609948

2. http://cen.acs.org/articles/95/i6/New-mechanism-methylating-enzyme.html?type=paidArticleContent

3. Nucleoside-linked shunt products in the reaction catalyzed by the class C radical S-adenosylmethionine methyltransferase NosN. Chem Commun, 2017, 53, 5235, DOI: 10.1039/C7CC02162C

4. Biosynthesis of the nosiheptide indole side ring centers on a cryptic carrier protein NosJ. Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00439-1

导师介绍

张琪

http://www.x-mol.com/university/faculty/9703