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南海海洋所海洋微生物抗感染药物的生物合成研究获新进展

发布日期:2014年11月26日来源: 共次浏览

替达霉素(Tirandamycins)含有2,4-吡咯烷二酮和双环缩酮两个特征结构单元,能够跟细菌RNA聚合酶结合,从而抑制细菌转录过程中链的起始和延伸,产生抗菌活性(对耐甲氧西林葡萄球菌和耐万古霉素的粪肠球菌也有抑制作用);替达霉素还选择性地抑制马来布鲁线虫天冬氨酰-tRNA合成酶的活力,杀虫活性可潜在用于治疗象皮肿。该类化合物新颖的化学结构和独特的药效作用机制已经引起药物合成和生物合成化学家的兴趣。
 

在前期工作中,中科院南海海洋研究所的研究人员筛选到一株来自南海沉积土的放线菌Streptomyces sp.SCSIO1666,该菌生产替达霉素但对海盐有依赖性(《中国海洋药物》, 2010, (6), 12-20);以酮基合成酶为探针克隆了其生物合成基因簇,对7个生物合成基因进行了置换突变和代谢产物分析,推断了其生物合成途径,发现trdK是生物合成途径中的负调控基因,其突变株使替达霉素的产量提高了一倍以上(Biochem. Biophy. Res. Commun., 2011, 406, 341-347);随后通过体内突变、体外蛋白生化测试和光谱位移分析报道了trdL是一种新颖的、与FAD以双共价键形式结合的氧化酶,负责后修饰10位羟基脱水形成酮基(Org. Lett., 2011, 13, 2212-2215)。
 

研究人员进一步分析了生物合成途径中的trdE基因,该基因编码一种16家族糖基水解酶,具有糖基水解酶家族的典型催化保守位点E145XD147XXE150。由于替达霉素分子中没有糖基结构单元,该基因的功能是个谜。研究人员构建了trdE突变株,发现突变株积累一个新的生物合成中间体pre-tirandamycin,为该分子聚酮-聚肽生物合成模块上释放下来的最早的前体化合物。体外蛋白表达和生化实验表明,TrdE催化pre-tirandamycin脱水形成替达霉素C,负责C-11/C-12双键的形成。
 

为解析其催化机制,研究人员对TrdE中具有糖基水解酶特征的三个保守氨基酸和4个具有潜在脱水作用的组氨酸进行了定点突变,对点突变蛋白进行CD谱测定和酶反应动力学参数表征,发现糖基水解酶的保守催化位点对酶活力的维持起着至关重要的作用。同时揭示了E150是该酶的活性催化位点,提出了可能的脱水催化机制。有别于天然产物中酮基还原酶-脱水酶双结构域催化形成双键,TrdE具有糖基水解酶的典型特征,但利用其催化中心在替达霉素生物合成中催化双键的形成,代表了一种天然产物双键形成的新机制。
 

以上结果发表在《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc.2012, 134, 2844-2847),论文的第一作者为博士生莫旭华,通讯作者为鞠建华研究员。
 

文章发表后,很快被Nature Chemical Biology杂志选为亮点论文,并发表题为Hidden by homology(2012, 8, 320)的评述,认为“TrdE功能的阐明对于其它生物合成途径中类似未知功能酶的确认有着重要的参考意义”。
 

以上研究工作得到了科技部973项目和中科院“百人计划”人才基金的资助。

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