CYP3A通过氧的ipso加成介导药物代谢中异常的C(sp2)-C(sp3)键断裂

细胞色素P450酶（P450）是哺乳动物体内重要的药物代谢酶，参与市场上绝大多数药物的体内转化，具有底物谱广、代谢速率快、代谢反应类型多样等特点，在药物的解毒过程中起到极为重要的作用。然而有关细胞色素P450酶催化底物碳-碳键断裂的机制研究却较为罕见，目前研究较多的例子有CYP51、CYP11A、CYP17A、CYP19A及CYP125等酶参与人体内固醇及脂肪酸代谢，但CYP3A作为人体内最重要、含量最丰富的I相药物代谢酶亚家族，鲜有类似报道，而且这些碳-碳键断裂的反应机制仍然不清楚。

近日，美国贝勒医学院的李锋教授课题组，利用基于液相-高分辨质谱的代谢组学策略，研究了USFDA批准用于治疗症状性腱鞘巨细胞瘤的酪氨酸激酶抑制剂培西达替尼（Pexidartinib，PEX，商品名：TURALIO）在I相代谢中由CYP3A介导的两类碳-碳键断裂反应，这两类碳-碳键断裂反应分别发生在相邻的非极性、无应力的碳（sp²）-碳（sp³）键上，且反应机制不同。作者在肝微粒体孵育体系中共鉴定出8个碳-碳键断裂产物，并排除了这两类断裂反应经由Baeyer-Villiger反应途径发生的可能性。

作者利用¹⁸O₂和H₂¹⁸O富集体系，揭示了分别发生在i位和ii位的两种完全不同的碳-碳键断裂机制。其中，发生在ii位的断裂反应机制被鉴定为本位加成反应。反应由CYP3A介导，在氮保护的吡啶-2-胺的C(sp²) 位点上发生替代消除，导致PEX的ii 位C-C键断裂。这种崭新的本位加成机制也在数种培西塔替尼结构类似物的I相代谢反应中得到证实。

而发生在ii位的断裂反应机制被鉴定为类逆向羟醛缩合反应。培西塔替尼分子中的亚甲基首先在CYP3A催化形成单氧化产物，再经类逆向羟醛缩合反应分解为一分子氮杂吲哚和一分子醛，醛可进一步被还原成醇或氧化成羧酸。此逆向羟醛缩合反应不需酶催化，在溶液中即可自发发生。发现这类结构的不稳定，可能有助于指导药物的设计或优化，达到提高药物的安全性和效能的目的。

本研究再次证明基于液相-高分辨质谱的代谢组学是药物代谢研究中的一种有力手段，其对比放射性同位素标记法有着独特的优势，能揭示一些非常见的代谢反应类型及产物。培西塔替尼的碳-碳键断裂代谢反应是首次被发现，且CYP3A介导的本位加成反应机制也是首次被阐明。实现碳-碳键断裂是化学界一项十分具有挑战性的任务，CYP3A催化的这类反应具有区域特异性，反应条件环境友好，因此极具吸引力。本研究的发现可能为科学家利用生物工程设计制造用于催化这类难以发生的反应的重组酶类提供启发。

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CYP3A Mediates an Unusual C(sp²)-C(sp³) Bond Cleavage via Ipso-Addition of Oxygen in Drug Metabolism

Xuan Qin, Yong Wang, Qiuji Ye, John M. Hakenjos, Jin Wang, Mingxing Teng, Lei Guo, Zhi Tan, Damian W. Young, Kevin R. Mackenzie, Feng Li

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202405197