半頻哪醇重排（Semi-pinacol rearrangement, SPR）在立體選擇性構築複雜結構的天然產物中具有重要應用。目前僅在生物鹼類天然產物生物合成中共發現了9個半頻哪醇重排酶（Semi-pinacolase, SPase），且大部分酶屬於單加氧酶家族。
asteltoxin是含二氧雜雙環辛烷（2,8-dioxabicyclo-[3.3.0]-octane, DBO）結構的真菌毒素，具有抗腫瘤、抗病毒活性。據推測asteltoxin的DBO結構生物合成需發生SPR，該重排是發生在聚酮化合物上。但近50年來，催化其重排的酶及催化機制一直懸而未決。
浙江大學基礎醫學院毛旭明課題組在前期asteltoxin 結構類似毒素aurovertin的生物合成研究工作（J Am Chem Soc. 2015. 137:11904.）基礎上，從asteltoxin的生產菌麴黴Emericella variecolor NRRL 2881基因組中鑑定到了負責asteltoxin生物合成的基因簇。
在證明asteltoxin、aurovertin前體環氧化聚酮骨架的合成路徑完全一致的基礎上，發現了環氧水解酶AstD是一個雙功能酶，同時催化了環氧水解開環和緊接的半頻哪醇重排。此外，研究還從資料庫中檢索到了另一個同源水解酶MrvD也具有SPR催化功能。
研究進一步通過蛋白shuffling、定點突變鑑定了AstD/MrvD催化水解和重排的關鍵胺基酸殘基；並通過蛋白結構預測、密度函數計算、分子對接、動態模擬等方法發現AstD/MrvD催化了底物區域選擇性5,6-環氧開環，以及聚酮骨架上碳碳鍵遷移。
本研究基於asteltoxin的生物合成途徑，發現了一種新的來自環氧水解酶家族的SPR能催化聚酮底物的碳鏈骨架發生重排，並且初步探究了其催化機制。本研究進一步拓展了人們對環氧水解酶功能的認識，也為新型SPase生物催化元件的開發，以及以環氧合成元件、聚酮鏈重排為基礎構築複雜多樣天然產物奠定了基礎。
以上工作於2021年11月23日以「Discovery of Semi-Pinacolases from Epoxide Hydrolase Family during Efficient Assembly of a Fungal Polyketide」在線發表於美國化學會期刊ACS Catalysis。
浙江大學基礎醫學院19級博士研究生曹菲為論文第一作者，浙江大學基礎醫學院毛旭明教授、上海交通大學石婷副研究員、浙江工業大學占扎君教授為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。
圖文|毛旭明課題組
編輯|郭靜嫻