Fungal indole alkaloid biogenesis through evolution of a bifunctional reductase/Diels–Alderase

化学 立体化学 对映选择合成 双功能 吲哚试验 生物合成 非核糖体肽 组合化学 生物化学 催化作用
作者
Qingyun Dan,Sean A. Newmister,Kimberly R. Klas,Amy E. Fraley,Timothy McAfoos,Amber D. Somoza,James D. Sunderhaus,Ying Ye,Vikram V. Shende,Fengan Yu,Jacob N. Sanders,William Clay Brown,Le Zhao,Robert S. Paton,K. N. Houk,Janet L. Smith,David H. Sherman,Robert M. Williams
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:11 (11): 972-980 被引量:66
标识
DOI:10.1038/s41557-019-0326-6
摘要

Prenylated indole alkaloids such as the calmodulin-inhibitory malbrancheamides and anthelmintic paraherquamides possess great structural diversity and pharmaceutical utility. Here, we report complete elucidation of the malbrancheamide biosynthetic pathway accomplished through complementary approaches. These include a biomimetic total synthesis to access the natural alkaloid and biosynthetic intermediates in racemic form and in vitro enzymatic reconstitution to provide access to the natural antipode (+)-malbrancheamide. Reductive cleavage of an L-Pro-L-Trp dipeptide from the MalG non-ribosomal peptide synthetase (NRPS) followed by reverse prenylation and a cascade of post-NRPS reactions culminates in an intramolecular [4+2] hetero-Diels-Alder (IMDA) cyclization to furnish the bicyclo[2.2.2]diazaoctane scaffold. Enzymatic assembly of optically pure (+)-premalbrancheamide involves an unexpected zwitterionic intermediate where MalC catalyses enantioselective cycloaddition as a bifunctional NADPH-dependent reductase/Diels-Alderase. The crystal structures of substrate and product complexes together with site-directed mutagenesis and molecular dynamics simulations demonstrate how MalC and PhqE (its homologue from the paraherquamide pathway) catalyse diastereo- and enantioselective cyclization in the construction of this important class of secondary metabolites.
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