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齊一生物:林可酰胺類抗生素生物合成研究獲進(jìn)展
林可酰胺類抗生素(lincosamides)是一類臨床上重要的抗生素家族,其代表成員林可霉素(lincomycin)長(zhǎng)期被用于治療革蘭氏陽(yáng)性菌引起的感染。在前期研究中,劉文團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)林可霉素的生物合成是在兩個(gè)小分子硫醇(ergothionein, EGT和mycothiol, MSH)的相互配合且精確有序地指導(dǎo)下完成的(Nature, 2015, 518, 115-119)。這一發(fā)現(xiàn)不僅代表了EGT參與生化反應(yīng)的首個(gè)范例,而且提供了一種MSH依賴的硫元素引入的新模式(圖1)。更重要的是,這一發(fā)現(xiàn)代表了洞悉小分子硫醇在生物體系中的內(nèi)在功能方面所邁出的重要一步。因此,團(tuán)隊(duì)受邀于BioEssays雜志對(duì)小分子硫醇的功能進(jìn)行相關(guān)綜述和展望(Bioessays,2015, 37, 1262-7)。
圖1 小分子硫醇參與的林可酰胺類抗生素生物合成途徑
天然來(lái)源的林可酰胺類抗生素都是由鏈霉菌產(chǎn)生,主要包括林可霉素(lincomycin)及其結(jié)構(gòu)類似物天青菌素(celesticetin)。但明顯不同的是,*終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)中卻存在兩種不同的硫修飾基團(tuán):在林可霉素中是硫甲基,而在天青菌素中是巰基乙醇的兩碳單元(圖1)。圍繞林可酰胺類抗生素中不同硫修飾的形成機(jī)制,劉文團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一系列詳盡的體內(nèi)(in vivo)及體外(in vitro)研究。他們發(fā)現(xiàn):在天青菌素的后期生物合成途徑中,MSH來(lái)源的半胱氨酸結(jié)合物,在CcbF蛋白催化下發(fā)生特殊的氧化性脫羧反應(yīng)生成醛式產(chǎn)物,隨后在O-甲基化酶Ccb4及還原酶Ccb5作用下生成*終的含兩碳單元的desalicetin;而在林可霉素的后期生物合成途徑中,也存在類似的半胱氨酸結(jié)合物中間體,其在LmbF蛋白催化下發(fā)生β裂解反應(yīng)生成自由的巰基中間產(chǎn)物,隨后在LmbG催化下發(fā)生硫甲基化生成終產(chǎn)物林可霉素。這一對(duì)序列上高度同源但活性截然不同的PLP酶(CcbF和LmbF)決定了不同的半胱氨酸基團(tuán)剪切方式,再在不同的后修飾酶的協(xié)同作用下,*終生成了林可霉素和天青菌素中不同的硫修飾結(jié)構(gòu)(圖2)。在完全闡明兩種后期生物合成途徑后,他們采用體外組合生物合成的方式,對(duì)這兩種途徑中共同的半胱氨酸中間體分別進(jìn)行不同的硫處理及后修飾,成功得到了一系列雜合的林可酰胺類抗生素(包括天然來(lái)源的 Bu-2545)。
圖2 林可酰胺類抗生素的不同硫修飾形成機(jī)制
以上研究發(fā)現(xiàn)不僅闡明了林可酰胺類抗生素結(jié)構(gòu)差異的產(chǎn)生機(jī)制,也證實(shí)了PLP酶學(xué)反應(yīng)的多樣性,及其在合成生物學(xué)中的應(yīng)用。PLP依賴的酶是生物體內(nèi)廣泛存在的一大類蛋白,參與多種重要的涉及氨基(酸)底物的代謝反應(yīng),如轉(zhuǎn)氨、脫羧、異構(gòu)化、消除、Claisen縮合等。而在林可酰胺類抗生素生物合成體系中,CcbF和LmbF這兩種PLP依賴的酶雖然同一性高達(dá)40%(很可能源于共同的進(jìn)化祖先),催化的底物結(jié)構(gòu)也類似,但是催化的反應(yīng)類型卻截然不同。后者催化的是較常見(jiàn)的β消除反應(yīng),而前者卻是一種罕見(jiàn)的氧氣依賴的酶,催化特殊的脫羧偶聯(lián)的氧化性脫氨反應(yīng)。目前,我們熟知的PLP酶活性的多樣性都是來(lái)源于PLP穩(wěn)定碳負(fù)離子的能力,而只有極少數(shù)PLP依賴的酶能活化氧氣發(fā)生氧化性反應(yīng)。根據(jù)相關(guān)生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及目前已知的氧氣活化機(jī)制,CcbF催化的反應(yīng)很可能經(jīng)歷單電子轉(zhuǎn)移生成過(guò)氧自由基負(fù)離子的過(guò)程。PLP蛋白的酶學(xué)活性及其催化機(jī)制的闡明必將使我們發(fā)現(xiàn)更多新穎的PLP相關(guān)的生化反應(yīng)及生理功能。
上述成果主要由劉文課題組博士王敏、副研究員趙群飛等完成,獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等相關(guān)項(xiàng)目的資助。