天然物C-グリコシル化のリロワール糖転移酵素：構造、機構、特異性

Leloir glycosyltransferases of natural product C-glycosylation: structure, mechanism and specificity.

• Gregor Tegl
• Bernd Nidetzky

抄録

微生物および植物天然物における化学構造の顕著な属性は、芳香族C-グリコシル化である。植物では、様々なフラボノイド天然物は、そのコア構造にβ-C-d-グルコシル部位が付加されている。天然物のC-グリコシドは、それ自体のユニークな生理活性と、通常のO-グリコシドの非加水分解性アナログを代表するものとして注目されています。天然物C-グリコシドの生合成は糖ヌクレオチド依存性（リロワール）糖転移酵素を用いて行われている。ここでは、生化学的に特徴づけられた微生物、植物、昆虫由来のC-グリコシルトランスフェラーゼの概要を紹介する。既知のC-グリコシルトランスフェラーゼは、グリコシルトランスフェラーゼファミリーGT-1に属していることや、保存されているGT-Bの構造的特徴など、基本的な進化的関係を共有しているにもかかわらず、その反応性、選択性、特異性を支配する構造的特徴は多様である。二官能性糖転移酵素は、アグリコンアクセプターの構造に依存してC-およびO-グリコシドを形成することができる。植物のC-グリコシルトランスフェラーゼとジ-C-グリコシルトランスフェラーゼの最近の結晶構造は、細菌の酵素の初期の構造研究を補完し、C-グリコシル化とO-グリコシル化の間の酵素的識別に関する重要な分子的洞察を提供しています。酵素の構造とメカニズムの研究は、酵素的なC-グリコシル転移の単一置換(SN2)に似たメカニズムの見解に収束し、O-グリコシル転移に大きく類似している。O-アクセプター原子での反応とC-アクセプター原子での反応の区別は、結合ポケット内のドナー基質に対するアクセプターの正確な位置関係によって達成されています。それにもかかわらず、C-グリコシルトランスフェラーゼは、アクセプター炭素で求核反応性を誘導するために適用される触媒戦略に違いがあるかもしれません。C-グリコシルトランスフェラーゼの突然変異誘発から得られた証拠は、これらの酵素の反応性を調整するためのエンジニアリングに役立つかもしれません。

A prominent attribute of chemical structure in microbial and plant natural products is aromatic C-glycosylation. In plants, various flavonoid natural products have a β-C-d-glucosyl moiety attached to their core structure. Natural product C-glycosides have attracted significant attention for their own unique bioactivity as well as for representing non-hydrolysable analogs of the canonical O-glycosides. The biosynthesis of natural product C-glycosides is accomplished by sugar nucleotide-dependent (Leloir) glycosyltransferases. Here, we provide an overview on the C-glycosyltransferases of microbial, plant and insect origin that have been biochemically characterized. Despite sharing basic evolutionary relationships, as evidenced by their common membership to glycosyltransferase family GT-1 and conserved GT-B structural fold, the known C-glycosyltransferases are diverse in the structural features that govern their reactivity, selectivity and specificity. Bifunctional glycosyltransferases can form C- and O-glycosides dependent on the structure of the aglycon acceptor. Recent crystal structures of plant C-glycosyltransferases and di-C-glycosyltransferases complement earlier structural studies of bacterial enzymes and provide important molecular insight into the enzymatic discrimination between C- and O-glycosylation. Studies of enzyme structure and mechanism converge on the view of a single displacement (SN2)-like mechanism of enzymatic C-glycosyl transfer, largely analogous to O-glycosyl transfer. The distinction between reactions at the O- or C-acceptor atom is achieved through the precise positioning of the acceptor relative to the donor substrate in the binding pocket. Nonetheless, C-glycosyltransferases may differ in the catalytic strategy applied to induce nucleophilic reactivity at the acceptor carbon. Evidence from the mutagenesis of C-glycosyltransferases may become useful in engineering these enzymes for tailored reactivity.

© 2020 The Author(s). Published by Portland Press Limited on behalf of the Biochemical Society.