半频哪醇重排（Semi-pinacol rearrangement, SPR）在立体选择性构筑复杂结构的天然产物中具有重要应用。目前仅在生物碱类天然产物生物合成中共发现了9个半频哪醇重排酶（Semi-pinacolase, SPase），且大部分酶属于单加氧酶家族。

asteltoxin是含二氧杂双环辛烷（2,8-dioxabicyclo-[3.3.0]-octane, DBO）结构的真菌毒素，具有抗肿瘤、抗病毒活性。据推测asteltoxin的DBO结构生物合成需发生SPR，该重排是发生在聚酮化合物上。但近50年来，催化其重排的酶及催化机制一直悬而未决。

浙江大学基础医学院毛旭明课题组在前期asteltoxin 结构类似毒素aurovertin的生物合成研究工作（J Am Chem Soc. 2015. 137:11904.）基础上，从asteltoxin的生产菌曲霉Emericella variecolor NRRL 2881基因组中鉴定到了负责asteltoxin生物合成的基因簇。

在证明asteltoxin、aurovertin前体环氧化聚酮骨架的合成路径完全一致的基础上，发现了环氧水解酶AstD是一个双功能酶，同时催化了环氧水解开环和紧接的半频哪醇重排。此外，研究还从数据库中检索到了另一个同源水解酶MrvD也具有SPR催化功能。

研究进一步通过蛋白shuffling、定点突变鉴定了AstD/MrvD催化水解和重排的关键氨基酸残基；并通过蛋白结构预测、密度函数计算、分子对接、动态模拟等方法发现AstD/MrvD催化了底物区域选择性5,6-环氧开环，以及聚酮骨架上碳碳键迁移。

本研究基于asteltoxin的生物合成途径，发现了一种新的来自环氧水解酶家族的SPR能催化聚酮底物的碳链骨架发生重排，并且初步探究了其催化机制。本研究进一步拓展了人们对环氧水解酶功能的认识，也为新型SPase生物催化元件的开发，以及以环氧合成元件、聚酮链重排为基础构筑复杂多样天然产物奠定了基础。

以上工作于2021年11月23日以“Discovery of Semi-Pinacolases from Epoxide Hydrolase Family during Efficient Assembly of a Fungal Polyketide”在线发表于美国化学会期刊ACS Catalysis。

浙江大学基础医学院19级博士研究生曹菲为论文第一作者，浙江大学基础医学院毛旭明教授、上海交通大学石婷副研究员、浙江工业大学占扎君教授为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。

图文|毛旭明课题组

编辑|郭静娴