Structural Insight into the Catalytic Mechanism of Non-Heme Iron Halogenase AdaV in 2′-Chloropentostatin Biosynthesis

生物合成 羟基化 催化作用 血红素 化学 卤化 基质(水族馆) 蛋白质工程 立体选择性 活动站点 立体化学 生物催化 生物化学 组合化学 反应机理 有机化学 生物 生态学
作者
Guoqing Zhai,Rong Gong,Yaxin Lin,Meng Zhang,Jiahui Li,Zixin Deng,Jiazhong Sun,Wenqing Chen,Zhengyu Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (22): 13910-13920 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c04608
摘要

Non-heme Fe2+ and 2-oxoglutarate (Fe2+/2OG)-dependent halogenases are a promising platform for biocatalytic halogenations owing to their ability to functionalize unactivated sp3 C–H bonds. To date, however, relatively few Fe2+/2OG-dependent halogenases have been identified that act on small stand-alone molecules. AdaV, a member of the carrier-protein-independent halogenases, selectively modifies the unactivated C2′ of the dAMP in 2′-chloropentostatin biosynthesis. In this study, we report the X-ray crystallographic structures of the AdaV complex with its substrate and various AdaV variants. The combined crystallographic and biochemical data clarify the molecular mechanism of AdaV for its substrate specificity and stereoselectivity. Moreover, we have engineered the AdaVQ203A/AdaVV269A variant to produce a mixture of halogenated and hydroxylated products and further engineered AdaVQ203A&V269A&G196D/E variants to merely keep hydroxylation activity. Remarkably, we have also proposed a dual-controlling mechanism for AdaV catalysis, in which G196 plays an important role in halogenation by creating an iron coordination site for chloride binding, while Q203&V269 serve to orient the Fe(III)-OH intermediate to constrain the oxygen rebounding onto the radical substrate. These results greatly expand the enzymatic repertoire regarding halogenated natural product biosynthesis and open the way for the rational and rapid discovery of more AdaV-related enzymes as toolkits for further synthetic biology uses.

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