Diels–Alder反应能够一步构建两根碳‑碳键、生成多个手性中心，是天然产物生物合成中十分重要的周环反应策略。十氢萘环是聚酮类天然产物广泛存在的双环骨架，是这类分子实现生物功能的核心结构单元，主要由分子内Diels–Alder（IMDA）反应构建。多数线性聚烯底物发生自发环化时，倾向通过endo途径生成反式-十氢萘环，而动力学不利的顺式-十氢萘环，需要特异性的酶打破底物固有的反应偏好，能够介导该过程的exo‑IMDA酶长期以来鲜有报道。
Alchivemycin A（AVM A）是链霉菌来源的强效抗菌聚酮化合物，分子含有高度官能化的顺式-十氢萘环骨架。本研究通过基因簇比对，重新定位此前基因组组装缺失的avmG基因。基因敲除后，菌株不再产生终产物，转而积累底物自发endo‑IMDA环化生成的反式-十氢萘环旁路中间体，这类中间体无法被下游大环化酶识别加工。研究进一步构建体外多酶一锅重构体系，证实AvmG可以专一催化exo‑IMDA反应，实现顺式-十氢萘环中间体的高效生成。
基因组挖掘发现，AvmG同源蛋白广泛分布于放线菌PKS及PKS‑NRPS杂合基因簇中。该类蛋白(Integrin α N-terminal domain, IAND)既往仅被认为参与细胞黏附作用，并未发现催化功能。本研究选取同家族蛋白LymR开展功能验证，证实LymR无需额外辅因子，即可高效催化exo‑IMDA反应生成顺式-十氢萘环，证明该exo‑IMDA催化活性是IAND蛋白家族的保守功能。
团队解析了AvmG、LymR、IAND5189代表蛋白的晶体结构，确定其为五叶β‑螺旋桨全新折叠。该类蛋白借助2、3桨叶之间延伸环构建疏水催化空腔，依靠空腔内部疏水残基与多重氢键网络协同稳定环化反应过渡态。定点突变实验证实，口袋内的疏水及关键氢键残基是维持酶催化活性的核心位点。
综上，该工作鉴定出一类全新β‑螺旋桨Diels–Alder酶超家族，拓展了酶促周环反应的蛋白折叠与催化机制多样性，揭示了生物合成体系克服周环反应固有立体偏好的新策略。该家族蛋白可作为序列探针，挖掘大量未被解析的聚酮生物合成基因簇，同时也为蛋白工程改造、复杂环系分子的生物制造提供全新功能元件。
近期，该项工作以“ Family of β‑Propeller Diels–Alderases Directs cis‑Decalin Formation in Polyketide Biosynthesis ”为题，发表在J. Am. Chem. Soc.上，南京大学生命科学学院赵尔娟博士和凌清彦硕士为本文第一作者，南京大学生命科学学院戈惠明教授、张博教授、焦瑞华教授为文章的通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、教育部、江苏省自然科学基金等经费的支持。感谢上海同步辐射光源完成X射线数据采集。
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c12942