前言
上海有机所/深圳先进技术研究院的周佳海研究员和UCLA的唐奕教授可谓是酶催化界的黄金拍档，两人合作的论文已有两篇子刊，两篇正刊。2016年，两人合作的第一篇子刊发表在Nature Chemical Biology上（DOI:10.1038/nchembio.2202）；2018年，两人合作，运用以抗性基因为导向的基因组挖掘技术成功发现了一种新型天然产物除草剂，发了一篇Nature（Doi: 10.1038/s41586-018-0319-4）；2019年两人再次合作，揭示了多功能周环酶LepI的催化分子机制，发了一篇Nature Chemistry；而今年两人再度携手，对立体选择性周环化酶进行了深入研究，又发了一篇Nature.
Nature Chemical Biology，2016
Nature, 2018
Nature Chemistry, 2019
第一作者：Masao Ohashi, Cooper S. Jamieson, Yujuan Cai
通讯作者：JiahaiZhou, K. N. Houk，Yi Tang
通讯单位：UCLA, 上海有机所，深圳先进技术研究院
DOI: 10.1038/s41586-020-2743-5
背景介绍
化学研究中一个持续的挑战是设计能够选择性合成复杂分子的催化剂。化学家依靠有机催化剂或过渡金属催化剂来控制立体选择性、区域选择性和周选择性（可能的周环反应中的选择性）。自然界通过多种酶来实现这些类型的选择性，例如最近发现的周环化酶是催化周环反应的酶家族。最具特色的酶周环反应都是环加成反应，但是，很难合理解释选择性是如何实现的。
本文亮点
本文报道了两个同源的周环化酶，它们催化不同的反应：一个组催化Alder-ene反应，在生物学上是未知的；第二组催化立体选择性异狄尔斯-阿尔德反应。在计算研究的指导下，作者对观察到的反应性差异进行了合理化，并设计了突变酶，使Alder-ene和hetero-Diels Alder的周围选择性反向，反之亦然。体外生化表征、计算研究、酶共晶体结构和突变研究的结合说明了高区域选择性和周选择性是如何在几乎相同的活性位点上实现的。
图文解析
图1.天然产物生物合成中的周环反应。
a、周环反应的已知和未知酶例子。
b、leporinb的生物合成涉及多功能O-甲基转移酶样周环化酶LepI。
c、理论研究表明，从一个常见的中间体7上，异狄尔斯Alder TS-2比Alder-ene TS-1 1.9 kcal mol 1在非酶促作用方面的优势。
d、黄曲霉利孢素B的生物合成基因簇(lep)、白芍吡哆醇的推定生物合成基因簇(adx)、家蚕曲霉吡哆醇的推定生物合成基因簇(pdx)、外皮高粱FT1062的推定fusaricide的推定生物合成基因簇(epi)。
e，从常见中间体7合成Alder-ene产物（8）和杂DielsAlder产物（9）的生物。
f，在周环化酶存在或不存在选定的PdxG的情况下，用PdxG进行5的一锅体外串联测定。
图2. PdxI和HpiI的晶体结构。模拟退火省略图显示在灰色网格中，轮廓线为1.0σ。氢键相互作用用黑色虚线表示。
a、apo-PdxI三级结构和结合腔（洋红色）的动画表现。C端催化结构域显示为绿色，N端二聚结构域显示为石灰。
b、apo-PdxI和apo-HpiI连锁同源二聚体结构的重叠。
c、 PdxI与底物类似物酮5共晶结构的活性位点图。
d、HpiI与底物类似物酮5共晶结构的活性位点图。在c和d中，B链的M76用不同的颜色表示。
图3. 选择性和区域选择性周环反应机理。
a、基于PdxI结构的桤木同工酶模型。
b、由HpiI结构证实的O4-异狄氏醛类同工酶模型。
c、5与PdxG、NADPH和部分周环化酶的体外反应，分析了O4杂化Diels-Alder加合物9、Alder-ene加合物8和O2-异Diels-Alder加合物11的相对产率。为了量化这一比率，没有周环化酶的对照样品的反应时间为12h，与酶的反应时间为2h。
本文亮点
唐奕，美国加州大学洛杉矶分校校长冠名教授。唐奕教授主要从事天然产物的生物合成和生物催化研究。在合成生物学领域卓有建树，是国际上本领域具有国际影响力的领军人物之一，尤其在真菌的生物合成领域，取得了多项突破性的学术成就。唐奕教授系统解析了多个真菌聚酮类药物生物合成机理，首次破解了抗生素四环素起始合成之谜，深入阐释了真菌非核糖体多肽合成中复合酶大环环化模块的化学催化机制，揭示了降血脂药物洛伐他丁的生物合成机制并应用于工业生产辛伐他汀，成功构建了在大肠杆菌和真菌中重组表达真菌聚酮复合合成酶与多肽合成复合酶的技术体系。研究成果在Nature、Science、Nature Chemical Biology、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Intl. Ed. 、PNAS等高水平专业期刊上发表论文100余篇，H指数46，引用次数1W+。获得包括总统绿色化学挑战奖、美国化学学会Author C. Cope奖等10余项美国奖励，授权国际专利7项。主持美国科学基金、NIH和David-Lucile Packard基金等各类研究基金8项，是国际著名的生物化学家和合成生物学家。
周佳海，中科院深圳先进技术研究院研究员。1993年毕业于南京大学少年班化学专业，在南京化工厂工作以后考入中国科学院上海有机化学研究所硕博连读，2000年获理学博士学位。2001-2006年在美国密西根大学进行博士后学习，2006年9月加入中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室担任课题组长，2008年获中国科学院“百人计划”择优支持。2020年加入深圳先进技术研究院，任研究员。
周佳海实验室主要研究方向是微生物酶学，通过会聚酶学、结构生物学及蛋白质理性设计等技术方法，重点研究酶的结构与催化机理、机制与分子改造以及酶定向进化的科学规律等，最近5年在Nature、Nature Chemistry、Nature Chemical Biology、PNAS、J Am Chem Soc、Angew Chem Intl Ed、Nature Communications等知名期刊上发表论文多篇。
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