Expansion of the Stereochemical Space of Triterpenes by Mining Noncanonical Oxidosqualene Cyclases Across the Diversity of Green Plants

化学 三萜 立体化学 萜烯 药效团 计算生物学 立体中心 化学空间 药物发现 生物 生物化学 对映选择合成 催化作用 医学 替代医学 病理
作者
Samuel Edward Hakim,Shenyu Liu,Ruth Herzog,Ahmed Arafa,Jan de Vries,Gerald Dräger,Jakob Franke
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (12): 10320-10330 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.4c16956
摘要

Triterpenoids and steroids are structurally complex polycyclic natural products with potent biological functions, for example, as hormones. In all eukaryotes, the carbon skeletons of these compounds are generated by oxidosqualene cyclases, which carry out a polycyclization cascade to generate four or five rings with up to nine stereogenic centers in a targeted manner. The tight stereochemical control of this cascade reaction severely limits the stereochemical space accessible by known oxidosqualene cyclases. Considering that naturally occurring hormone stereoisomers have markedly different biological activities, finding ways to produce stereoisomers of triterpenes would be highly desirable to open new avenues for developing triterpenoid and steroid drugs. Here, we present a plant kingdom-wide sequence mining approach based on sequence similarity networks to search for noncanonical oxidosqualene cyclases that might produce triterpene stereoisomers. From 1,891 oxidosqualene cyclase sequences representing the diversity of green plants, six candidates were selected for functional evaluation by heterologous production in Nicotiana benthamiana. Of these six candidates, three produced rare or previously inaccessible triterpene stereoisomers, namely, (3S,13S)-malabarica-17,21-diene-3β,14-diol, 19-epi-lupeol, and a previously unknown hopanoid stereoisomer that we call protostahopenol. Site-directed mutagenesis revealed key residues important for catalytic activity. The sequence similarity network mining strategy employed here will facilitate the targeted discovery of enzymes with unusual activity in higher organisms, which are not amenable to common genome mining approaches. More importantly, our work expands the accessible stereochemical space of triterpenes and represents the first step to the development of new triterpenoid-derived drugs.
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