探討去氧鬼臼毒素合酶催化立體專一性環化反應之結構機轉

Abstract

鬼臼毒素是(podophyllotoxin)一種醫學上重要的芳基四氫萘木脂素，可作為臨床使用的抗腫瘤藥物依託泊苷(etoposide)和替尼泊苷(teniposide)的前驅物。由於對鬼臼毒素的需求持續增長，結合化學與酵素(chemoenzymatic)的合成方法被認為比純化學合成的方式來得更加有效，且能克服鬼臼毒素生成上所遇到的立體化學問題。其中，去氧鬼臼毒素合成酶(deoxypodophyllotoxin synthase)的酵素活性對發展化學酵素合成法相當關鍵。去氧鬼臼毒素合酶能催化亞太因(yatein)的碳6 (C6)及碳7′ (C7′)之間形成碳–碳單鍵，進而生成擁有四環核心的去氧鬼臼毒素(deoxypodophyllotoxin)。此酵素為非血基質鐵及2-側氧戊二酸依賴型加氧酶(non-heme iron- and 2-oxoglutarate-dependent oxygenase)超家族(superfamily)中的一員，該家族成員共通的特徵包括：由雙層β-螺旋(double-stranded β-helix)所構成的催化核心結構，內含一個以二組胺酸一羧酸模體(2-His-1-carboxylate motif)與鐵離子配位所形成的活性中心。先前探討催化機制的研究指出，去氧鬼臼毒素合酶所催化的環化作用(cyclization)可能是經由一個苯甲基自由基(benzylic radical)或是碳陽離子(carbocation)所介導的途徑去完成的。然而，依舊缺乏去氧鬼臼毒素合酶在蛋白結構上的相關資訊。此外，近期的研究指出兩種亞太因的鏡像異構物(enantiomer)皆可做為去氧鬼臼毒素合酶的受質，但羥基化副產物生成與否則截然不同，引發受質立體化學結構如何影響催化途徑的疑問。這些研究也揭露了去氧鬼臼毒素合酶可以主導產物中新生成之掌性中心(chiral center)的立體化學結構。為了闡釋去氧鬼臼毒素合酶催化環化反應中的結構基礎，我們針對去氧鬼臼毒素合酶與鐵離子和消旋亞太因(racemic yatein)複合體進行晶體結構解析。有趣的是，亞太因的鏡像異構物因為與去氧鬼臼毒素合酶結合，而呈現U字型的構形，使其碳7′靠近催化中心的鐵離子，讓氫原子的轉移(hydrogen atom transfer)得以發生。此外，活性中心的空間障礙規範了產物去氧鬼臼毒素在碳7′位置的掌性。我們的實驗結果為去氧鬼臼毒素合酶所催化的合環反應提供了重要的結構觀點，並為去氧鬼臼毒素合酶於化學酵素合成法的應用奠基。