中国科学院海洋研究所海洋天然产物与生物合成研究组在深海天然产物及其生物合成领域取得新进展。该研究阐明了深海真菌复杂螺环二酮哌嗪（DKP）类生物碱的完整生物合成途径，鉴定出首个可作用于DKP底物的分子间环化酶和负责引入关键环外烯烃的P450 酶，提出“簇内组装与簇外分化”协同的去中心化生物合成新模式。该发现补齐了DKP合成途径中的关键酶学证据，有助于理解DKP生物碱的多样性形成机制。相关成果最近在线发表于国际学术期刊 Journal of the American Chemical Society（JACS）。

图1 真菌复杂生物碱去中心化合成新范式

Diels–Alder（DA）环加成反应是构建六元碳环、实现立体控制组装的经典有机反应，在天然产物与药物分子合成中应用极为广泛。过去二十年间，科学家已在聚酮、核糖体肽、生物碱和萜类等多类生物合成途径中鉴定出数十种 DA 酶。然而能够介导分子间环加成反应的酶仅有寥寥数例。更为关键的是，迄今尚无任何酶被证实能够作用于DKP底物。DKP 是一类广泛分布且具有重要药理活性的微生物天然产物核心骨架，其高度复杂的多环结构往往依赖骨架上的环外烯烃作为 “分子铰链”，通过分子间环加成实现桥连多环结构的组装。然而，负责在 DKP 骨架上引入关键环外烯烃的酶以及催化 DKP 底物分子间环加成的催化剂此前均未被鉴定，构成了理解 DKP 生物碱生物合成的两大未解之谜。

本团队前期从深海冷泉真菌Aspergillus chevalieri CS-122中发现并报道了结构新颖的吲哚二酮哌嗪生物碱chevalinulin A。该化合物具有独特的螺环骨架，并在转基因斑马鱼体内表现出显著的促血管生成活性（Yan et al, 2022）。最近，本团队围绕该化合物的生物合成机制开展了系统研究。研究综合利用基因组与转录组分析、异源表达、CRISPR-Cas9 基因敲除、人工智能（AI）辅助虚拟筛选、分子动力学模拟、体外酶学表征和定点突变等手段，解析了chevalinulin A这一含复杂螺环骨架的DKP生物碱生物合成机制。

进而，团队将差异转录组分析与AI深度学习结构预测相结合，并通过体外酶学验证，从功能尚不明确的基因组区域中鉴定出首个可作用于 DKP衍生底物的分子间环化酶FadA。该酶与已知 DA 酶的序列相似性均较低，提示其代表了一个此前未被认识的催化蛋白家族。为深入理解 FadA 的催化机制，团队从结构预测、分子动力学模拟和定点突变三个层面展开研究，并通过构建丙氨酸替换突变体进行体外活性评估，确定了关键功能残基（图2）。

图2 FadA 底物结合口袋的结构建模与突变分析

综上，本研究揭示了Chevalinulin A的合成方式，多个酶分工协作，先将简单氨基酸转换成关键中间体，再由其他酶完成最后的“精准拼装”，形成核心骨架。这一过程不仅解决了 DKP 分子中第二个环外双键如何形成的疑问，也找到了关键的分子间环化酶。结果表明，真菌合成这类复杂天然产物时，常用“部分基因负责造骨架、其他基因负责后期修饰”的策略，这也可能是其结构多样的重要机制。

图3 Chevalinulin A的生物合成途径

本文第一作者兼共同通讯作者为中国科学院海洋研究所孟令红研究员，共同通讯作者为日本东京大学王立尧博士和中国科学院海洋研究所王斌贵研究员。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划及青岛市科技惠民计划等项目的资助。

论文信息：

Ling-Hong Meng*, Li-Yao Wang*, Zhen Ying, Xiao-Ming Li, Xin Li, Li-Hong Yan, Bin-Gui Wang*. Decentralized Biosynthesis of the Spiro-DKP Alkaloid Chevalinulin A Enabled by Nonclustered P450 and Intermolecular [4+2] Cyclase. Journal of the American Chemical Society, 2026, https://doi.org/10.1021/jacs.6c17478.