近日，中国海洋大学医药学院、海洋药物教育部重点实验室、青岛海洋科技中心海洋药物与生物制品功能实验室张国建教授团队，在氮杂/硫杂倍半萜类化合物生物合成过程中环重排-芳构化机制研究方面取得新进展，研究成果以“Nucleophilic Addition Promoted Ring Rearrangement-Aromatization in Aza-/thio-sesquiterpenoid Biosynthesis（在氮杂/硫杂倍半萜类化合物生物合成中通过亲核加成促进的环重排与芳构化反应）”为题，发表在国际顶尖期刊Nature Communications（《自然-通讯》）。

芳构化是天然产物生物合成中一个至关重要的过程，赋予分子独特的化学稳定性和生物活性。在萜类化合物中，芳构化通常涉及复杂的骨架重排，其背后的酶促机制非常独特且鲜有研究。艾里莫酚烷（eremophilanes）是一类结构多样、生物活性显著的重要倍半萜类天然产物，具有良好的药用开发潜力。从生物合成路径来看，所有eremophilanes均起源于马兜铃烯骨架，由法尼基二磷酸（FPP）在马兜铃烯合酶（AS）催化下通过环化反应生成。不同于传统倍半萜类化合物，eremophilanes家族中多个成员含有芳香结构，其形成涉及多异戊二烯骨架的断裂与重排，但具体机制尚未被研究报道（图1）。

图1 马兜铃烯及艾里莫酚烷型倍半萜的代表性结构

研究团队首先从一株海洋淡紫青霉Penicillium janthinellum H7-4中发掘出一个沉默的倍半萜类生物合成基因簇（jan cluster），并通过在野生菌株中过量表达该基因簇中的途径特异性转录因子JanG，成功激活了该基因簇，获得了具有芳香结构的eremophilanes类倍半萜衍生物farfugin A。为进一步解析其生物合成潜力，研究团队将janA-F功能基因在模式菌株Aspergillus nidulans A1145中逐步异源表达，成功获得了包括farfugin A和一类新颖的由eremophilane骨架与L-苏氨酸杂合而成的芳香倍半萜-氨基酸加合物aza-janthinellin A。后续生物合成机制研究进一步揭示，在farfugin A与aza-janthinellin A的合成过程中均存在由（氧或氮原子）亲核加成引发、并伴随[1,2]-烷基迁移的环重排机制，最终完成芳香化的过程。尤其在aza-janthinellin A形成过程中，一个FAD依赖型单加氧酶JanF被证实能够催化氧化烯丙醇从而生成，具有高反应活性的α,β-不饱和醛中间体，进而接受伯胺类试剂的亲核攻击，以此引发骨架的烷基化迁移和芳香化重排。研究还发现JanF可通过其活性口袋中的Asn273残基稳定C8-羰基，选择性地引导α,β-不饱和酮发生1,2-加成而非1,4-加成，这一过程是构建芳香骨架的关键步骤（图2）。在此基础上利用JanF强大的催化功能，多种伯胺试剂与具有α,β-不饱和醇的eremophilane底物进行孵育，可以获得结构多样、活性良好的一系列氨基酸-eremophilane加合产物。

图2 Farfugin A和aza-janthinellins型eremophilenes的形成机制

基于AlphaFold2预测的JanF三维结构与底物对接分析，以及Tyr158/Asn273等关键位点的点突变实验证实，上述残基对JanF的氧化功能及区域选择性至关重要。为进一步探究JanF的底物宽泛性，研究人员将C6-7位含双键的eremophilane喂养到过表达JanF的A. nidulans A1145菌株中，成功获得了一系列与胞内巯基代谢物（如β-巯基丙酮酸）发生迈克尔加成的新型芳香倍半萜衍生物，并将其命名为thio-janthinellins（图3）。其中部分化合物对慢性髓系白血病K562细胞表现出显著细胞毒活性（IC50分别为2.63 μM与3.72 μM），另有部分化合物则对多重耐药菌具有抑菌作用（MIC=16–32 μM），显示出潜在的医药应用价值。

图3 分子对接揭示了JanF的底物宽泛性，并基于此获得了一系列thio-jathinellins

综上所述，研究团队首次发现了一种由亲核进攻引发的萜类骨架重排与芳香化的新机制，并证实黄素酶JanF是催化烯丙醇末端基团生成α,β-不饱和醛的关键因素。研究人员成功利用化学酶法合成，获得系列新骨架氮杂/硫杂结构化合物，为该类芳香族化合物的药用潜力开发，提供了切实可行的路径。

中国海洋大学为该论文的唯一通讯单位，医药学院张国建教授为通讯作者，医药学院博士研究生徐恒义为第一作者。研究工作得到国家自然科学基金、青岛海洋科技中心、山东省泰山学者青年专家计划及山东省自然科学基金重大基础研究等项目的资助。张国建教授主要从事活性天然产物分子的发现、生物合成及微生物代谢工程研究，目前在Sci. Adv.，Nat. Commun.，Metab. Eng.，Curr. Opin. Biotech.等SCI期刊发表50余篇高水平学术论文。

团队合影（右一为张国建，左二为徐恒义）