存在于一些非核糖体肽类天然产物中的1-氮杂双环[3.1.0]己烷结构往往赋予天然产物良好的抗肿瘤和抗菌活性：高张力的氮丙环的强亲电性可导致DNA烷基化。2008年，上海有机化学研究所刘文课题组报道了含该结构的阿嗪霉素的生物合成基因簇（Chem. Biol. 2008, 15, 693-705），并对其生物合成进行了探索。相关研究表明，氮杂双环结构单元的形成首先以谷氨酸为前体，在氨基载体蛋白水平进行线性骨架的构筑，接着在游离的氨基酸水平形成氮丙环。近期，上海有机化学研究所房鹏飞研究员和刘文研究员合作，报道了在非核糖体聚肽合成酶的协助下，氧化酶异源四聚体催化进一步环化，完成氮杂双环的形成。

研究小组首先通过综合利用阿嗪霉素和非昔罗霉素生物合成中负责氮杂双环形成前两个阶段的基因或酶，制备了线性氨基酸前体和后续的氮丙环中间体。随后研究结果显示氮杂双环形成的后续阶段在非核糖体聚肽合成酶所构成的装配线上，氧化酶催化底物发生进一步环化，形成氮杂五元环。为探究氮杂五元环的形成机制，作者解析了氧化酶的晶体结构，结果表明其以异源四聚体的形式发挥功能。基于晶体结构，作者通过定点突变、同位素标记和生化表征对这种特殊的氧化酶异源四聚体的催化机制进行了解析。

研究表明，在含此结构的非昔罗霉素的生物合成中，氮杂双环结构单元需先从装配线上释放，在氨基酸水平进行官能化以及与缬氨酸缩合，形成最终的成熟分子。而在阿嗪霉素的生物合成中，此结构单元需留在装配线水平与其它单元组装。该研究加深了我们对于非核糖体聚肽合成酶化学的认识。氮杂双环药效基团由于高张力和多手性中心，在化学合成上极具挑战，因此对此药效基团形成机制的研究对后续利用合成生物学手段，设计、开发更多含有相似氮杂双环结构单元的药物分子具有重要意义。

图：氮杂双环的形成及其在天然产物中的引入

该研究成果近期在“Journal of the American Chemical Society”上发表（DOI：10.1021/jacs.2c12507）。有机所博士研究生程艺苑为论文的第一作者，房鹏飞研究员和刘文研究员为通讯作者。该工作得到科技部、国家自然科学基金委相关基金的大力资助。