上海交通大学， Nature Chemistry！

米测MeLab

2025-04-24

研究背景

异杂狄尔斯–阿尔德（hetero-Diels–Alder, HDA）反应是一类高效构建六元杂环化合物的[4+2]环加成反应，因其在天然产物和生物活性分子合成中的广泛应用，成为现代有机合成化学中的重要手段。与传统的合成策略相比，HDA反应具有步骤简洁、选择性高和原子经济性好等优势。然而，尽管在人工化学反应中得到广泛应用，自然界中由酶催化的HDA反应却极为罕见，且目前报道的酶类仅能催化含有一个杂原子的HDA反应，尚未发现可催化多重杂原子参与的反应类型，这对天然产物复杂结构的高效构建提出了巨大挑战。

在此，上海交通大学瞿旭东教授、赵一雷教授，昆士兰大学Mehdi Mobli教授合作在“Nature Chemistry”期刊上发表了题为“An enzymatic dual-oxa Diels–Alder reaction constructs the oxygen-bridged tricyclic acetal unit of (–)-anthrabenzoxocinone”的最新论文。该团队鉴定出一种具有双功能的邻位氧螯合（VOC）样蛋白Abx(−)F，能够催化前体分子的脱水反应，继而驱动“双氧杂”狄尔斯–阿尔德反应，立体选择性地合成（−）-ABX中关键的三环氧桥缩醛结构。

研究结合X射线晶体学、NMR结构解析、同位素示踪实验及密度泛函理论计算，揭示了Abx(−)F所催化反应的具体结构基础与反应机理，并通过突变分析确定了Asp17作为一般碱在脱水过程中的关键作用。该研究不仅首次揭示了天然界中存在双杂原子参与的狄尔斯–阿尔德酶反应，也为未来设计和发展多杂原子参与的生物催化工具提供了全新范式。

研究亮点

（1）实验首次发现并鉴定了一种可催化双氧杂狄尔斯–阿尔德（dual-oxa DA）反应的天然酶Abx(−)F，该酶来自一种类邻位氧螯合（VOC）蛋白家族，具备双功能催化活性，既能催化底物脱水，又能立体选择性地促使[4+2]环加成反应，成功构建了(-)-anthrabenzoxocinone（(-)-ABX）中的氧桥三环缩醛结构。这是首次报道自然界中存在可催化含两个氧杂原子的多杂原子DA反应的酶，突破了此前仅能处理单一杂原子DA反应的局限。

（2）实验通过晶体结构解析、核磁共振（NMR）复合物结构分析、同位素标记实验及密度泛函理论（DFT）计算，深入揭示了Abx(−)F催化反应的分子机制。研究发现，该酶通过Asp17残基作为一般碱，启动底物脱水生成o-苯醌甲基（o-QM）中间体，进而诱导双氧杂DA反应的发生。

（3）结构分析明确了酶与底物及产物的结合方式，为其立体选择性提供了结构基础。该研究不仅验证了酶催化复杂多杂原子环加成反应的可行性，也预示了自然界中或许还存在其他类似的多杂原子DA酶，为今后的酶工程和天然产物合成提供了新思路和工具。

图文解读

图1：OXA DA反应和含有氧桥的三环缩醛的天然产物的总体示意图

图2：（ - ） -  ABX生物合成基因簇和关键生物合成步骤

图3：2的甲基化衍生物的结构以及ABX（ - ）E和ABX（ - ）F的功能表征

图4：计算出的反应能曲线显示了2对（±）-ABX的合理反应

图5：ABX（ - ）F的结构和位置定向诱变表征

图6：ABX（ - ）F的拟议催化机理

结论展望

总之，邻苯醌美克（o-QMs）是一类高度活泼的中间体，其本身具有重新芳构化的驱动力，使其极易与各种 2π 反应伴侣发生亲核加成或环加成反应，从而生成多种不同结构。然而，由于其快速降解以及容易生成副产物，o-QMs 在合成化学中的应用面临较大挑战，限制了其选择性和实用性。相比之下，酶能够以更高的化学选择性、区域选择性和立体选择性生成 o-QMs，从而在合成应用中展现出更具吸引力的替代方案。然而，目前已知能够生成 o-QMs 并参与后续反应（如环化、亲核加成、脱氢及狄尔斯–阿尔德（HDA）反应）的酶仍非常有限。

Abx(−)F 是一种具备独特酶学起源及特殊 HDA 反应活性的 o-QM 生成酶。其结构基础和催化机制为设计新型 o-QM 生成酶提供了宝贵模板。此外，Abx(−)F 能在 II 型芳香族多酮体系中催化 o-QM 的生成及 DA 反应。芳香族多酮类化合物因其广泛的药理活性而备受关注，其结构多样性主要来源于对少数基本骨架的多样修饰，而这些骨架通常由有限种类的芳构酶/环化酶（ARO/CYC）催化生成。类似于其他 CYCs，Abx(−)F 也催化芳香骨架的环化反应。因此，Abx(−)F 的可获得性为构建芳香族多酮类结构提供了高效酶学工具。更重要的是，o-QM 介导的反应通常在生成后自发进行（例如生成产物 5 和 6），通过更换底物或对 Abx(−)F 进行蛋白质工程改造，有望开发出新型的 o-QM 介导反应，从而拓展目前 II 型芳香族多酮类化合物有限的生物合成框架。

除了生成 o-QMs，Abx(−)F 还是一种多杂原子 DA 酶，能够催化串联脱水与双氧杂狄尔斯–阿尔德反应，构建 (-)-ABX 中罕见的氧桥三环缩醛结构。与其他氧杂 DA 酶（如 S-腺苷-L-甲硫氨酸依赖酶 LepI、Ca²⁺依赖糖基化酶 EupfF、PycR1、AsR5、Tsn11、Mad10、EpiI/UpiI/HpiI 和 DA7 等）不同，Abx(−)F 属于一个全新的酶家族。由于其催化活性不依赖金属离子或辅因子，因此基于 Abx(−)F 设计独特的 HDA 反应在理论上更具可行性。此外，VOC 超家族蛋白在微生物基因组中广泛存在，为寻找功能多样的多杂原子 HDA 酶提供了丰富资源。更进一步，Abx(−)F 构建稀有氧桥三环缩醛结构的生物合成机制也可应用于其它缩醛结构的生成，这类结构在天然产物与合成化合物中更为常见，目前主要通过脱水环化方式合成。因此，Abx(−)F 的发现与表征不仅显著拓展了我们对 HDA 酶及其在独特化学结构生物合成中作用的认知，也为新型多杂原子 DA 酶的进一步发现与应用奠定了重要基础。

原文详情：

Yan, X., Jia, X., Luo, Z. et al. An enzymatic dual-oxa Diels–Alder reaction constructs the oxygen-bridged tricyclic acetal unit of (–)-anthrabenzoxocinone. Nat. Chem. (2025).

 https://doi.org/10.1038/s41557-025-01804-0