Total Biosynthesis of the Tubulin-Binding Alkaloid Colchicine

秋水仙碱 生物碱 生物合成 微管蛋白 化学 生物化学 对映体药物 微管 立体化学 生物 细胞生物学 遗传学 对映选择合成 催化作用
作者
Ryan S. Nett,Elizabeth S. Sattely
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (46): 19454-19465 被引量:36
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08659
摘要

Colchicine (1) is a bioactive plant alkaloid from Colchicum and Gloriosa species that is used as a pharmaceutical treatment for inflammatory diseases, including gouty arthritis and familial Mediterranean fever. The activity of this alkaloid is attributed to its ability to bind tubulin dimers and inhibit microtubule assembly, which not only promotes anti-inflammatory effects, but also makes colchicine a potent mitotic poison. The biochemical origins of colchicine biosynthesis have been investigated for over 50 years, but only recently has the underlying enzymatic machinery become clear. Here, we report the discovery of multiple pathway enzymes from Gloriosa superba that allows for the reconstitution of a complete metabolic route to 1. This includes three enzymes that process a previously established tropolone-containing intermediate into 1 via tailoring of the nitrogen atom. We further demonstrate the total biosynthesis of enantiopure (−)-1 from primary metabolites via heterologous production in a model plant, thus enabling future efforts for the metabolic engineering of this medicinal alkaloid. Additionally, our results provide insight into the timing and tissue specificity for the late stage modifications required in colchicine biosynthesis, which are likely connected to the biological functions for this class of medicinal alkaloids in native producing plants.
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