甾體作為僅次于抗生素的第二大類藥物，在醫(yī)藥健康等領(lǐng)域扮演著十分重要的角色，9,10-開環(huán)甾體（9,10-secosteroids）是一類重要的亞家族，主要來源于海洋柳珊瑚，具有抗病毒、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、抑制腫瘤細胞相關(guān)蛋白激酶等多樣的生物活性。近期，中國科學院上海有機化學研究所生命過程小分子調(diào)控全國重點實驗室的多個團隊密切合作，報道了一種化學-酶催化的合成策略，從易得的甾體底物出發(fā)通過3~8步便可簡潔、高效地合成10種9,10-開環(huán)甾體天然產(chǎn)物（圖1）。

研究人員受到細菌甾醇降解途徑的啟發(fā)，策略性地提出以高效、高選擇性的甾體C9α-羥基化和C9-C10鍵斷裂為關(guān)鍵步驟的9,10-開環(huán)甾體合成策略。雖然多種甾體羥基化方法學被發(fā)展，但是受到空間位阻等因素影響，實現(xiàn)甾體C9α-羥基化依然存在很大挑戰(zhàn)。經(jīng)典的化學方法要實現(xiàn)甾體C9α-羥基化往往需要使用導向基、苛刻的反應條件或多步轉(zhuǎn)化，合成效率很低。為了高效實現(xiàn)甾體的C9α-羥基化，研究人員通過篩選和比較研究，從紅球菌（Rhodococcus rhodochrous）中找到了一個Rieske型非血紅素單加氧酶KshA3/KshB（KSH），可以非常專一、高效地實現(xiàn)甾體C9α-羥基化；而當甾體底物A環(huán)為共軛二烯酮時，羥基化產(chǎn)物會自發(fā)發(fā)生C9-C10鍵斷裂和A環(huán)芳構(gòu)化重排反應，直接生成9,10-開環(huán)甾體產(chǎn)物。為了研究酶催化反應機制，研究人員進行了酶的反應動力學、結(jié)構(gòu)預測、分子對接計算和點突變等實驗，提出了酶通過關(guān)鍵氨基酸Y226、N251殘基及水分子介導的氫鍵網(wǎng)絡(luò)來識別和定位甾體底物，從而實現(xiàn)酶高效性和專一性地催化甾體的C9α-羥基化。

基于發(fā)展的酶催化甾體C9α羥基化-碎裂串聯(lián)反應（9α-hydroxylation and fragmentation cascade），研究人員進行了底物拓展研究，發(fā)現(xiàn)該酶不僅可以兼容各種不同C17位取代的共軛雙烯酮底物，還能兼容共軛單烯酮底物從而獲得非開環(huán)重排的C9α-羥基化產(chǎn)物，產(chǎn)率最高可達97%，并且能進行克級規(guī)模放大?；谠O(shè)計的合成策略，研究人員利用化學-酶催化方法，通過3~8步便可實現(xiàn)10種9,10-開環(huán)甾體天然產(chǎn)物的高效、快速合成。進一步的抗菌活性測試及構(gòu)效關(guān)系研究表明，該類化合物對耐萬古霉素糞腸球菌（Enterococcus faecalis）具有抑制活性。該研究顯示了化學-酶法合成策略的潛力和重要性，促進了9,10-開環(huán)甾體生物合成的機制理解，為高效合成該類產(chǎn)物提供了新的方法，并為進一步的生物學功能研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 生物催化甾體的C9-羥基化和碎裂串聯(lián)反應實現(xiàn)9,10-開環(huán)甾體高效合成

該研究成果近期在“Angewandte Chemie International Edition”上發(fā)表（DOI：10.1002/anie.202319624）。有機所博士研究生宋瀚鑫和張澤良為論文的共同第一作者，曹春陽研究員、湯志軍副研究員、桂敬漢研究員和劉文研究員為通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委和新基石科學基金會的大力資助。