孫宇輝課題組：聚酮合酶結(jié)構(gòu)域跨模塊催化方式新發(fā)現(xiàn)
近日，《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）發(fā)表了武漢大學(xué)藥學(xué)院鄧子新院士團(tuán)隊(duì)孫宇輝教授課題組在聚酮合酶（Polyketide synthase, PKS）生物合成領(lǐng)域最新研究進(jìn)展，揭示了PKS結(jié)構(gòu)域可通過一種新穎而獨(dú)特的跨模塊“借用”方式實(shí)現(xiàn)聚酮鏈的雙鍵還原。這也是該課題組繼2017年繼發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)這一研究再次取得的最新突破。藥學(xué)院博士生翟貴發(fā)和化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院博士生王文艷為該論文共同第一作者，孫宇輝教授為該論文通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持。
聚酮化合物是自然界由細(xì)菌、真菌和植物通過連續(xù)的縮合反應(yīng)產(chǎn)生的一類重要的天然產(chǎn)物，因其結(jié)構(gòu)和生物活性的多樣性，在醫(yī)藥、畜牧和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛地應(yīng)用，成為維系人類健康和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要支撐。PKS是完成這些種類繁多的聚酮化合物生物合成的核心催化機(jī)器，它在自然界漫長的進(jìn)化歷程中已經(jīng)形成了一套普遍遵循的嚴(yán)密、精巧、高效的構(gòu)造和流程，其中了解較為透徹的I型PKS通常是由一個(gè)至多個(gè)催化一輪碳鏈延伸的模塊（Module）組成，每個(gè)模塊又包含多個(gè)執(zhí)行特定催化功能的結(jié)構(gòu)域（Domain）。通常情況下，在聚酮碳鏈骨架的合成過程中，PKS模塊和結(jié)構(gòu)域的數(shù)量和功能與其所催化形成的相應(yīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)之間存在著嚴(yán)格的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，即聚酮鏈合成的底物選擇、還原程度和產(chǎn)物的立體化學(xué)構(gòu)型都是由PKS上相應(yīng)模塊中的結(jié)構(gòu)域所決定，通過對(duì)酮基選擇性地還原和脫水，從而在終產(chǎn)物的相應(yīng)位置形成酮基、羥基、雙鍵等功能團(tuán)，同時(shí)還可決定產(chǎn)物手性中心的立體化學(xué)構(gòu)型。這一上世紀(jì)九十年代初首先在紅霉素PKS中的這一重大發(fā)現(xiàn)有其非同尋常的意義，它意味著聚酮化合物的結(jié)構(gòu)具有極大的可塑性，可通過PKS模塊或結(jié)構(gòu)域的人工設(shè)計(jì)，重組出新的生物合成途徑和符合人們預(yù)期的非天然“天然”產(chǎn)物，這也正是PKS吸引人們進(jìn)行深入研究的魅力所在。
來自海南紅樹林的鏈霉菌Streptomyces sp. 211726所產(chǎn)生的阿扎霉素（Azalomycin F）正是自然界中眾多聚酮天然產(chǎn)物的一員，這一大環(huán)內(nèi)酯抗生素具有優(yōu)良的抗真菌活性，特別是抗腫瘤活性的發(fā)現(xiàn)，更加激發(fā)了人們對(duì)其生物合成研究的濃厚興趣。孫宇輝教授課題組在前期的探索中，發(fā)現(xiàn)在阿扎霉素貌似尋常的分子結(jié)構(gòu)中掩藏著一個(gè)有悖于上述經(jīng)典的結(jié)構(gòu)與功能共線性規(guī)律的反常現(xiàn)象，并以此為契機(jī)，通過系統(tǒng)運(yùn)用微生物分子遺傳學(xué)及生物化學(xué)研究手段，首次挖掘出暗藏在PKS中一種可自動(dòng)開關(guān)的烯醇還原酶結(jié)構(gòu)域（Enoylreductase, ER），即在一個(gè)可重復(fù)使用的PKS模塊中，同一個(gè)烯醇還原酶結(jié)構(gòu)域可以根據(jù)需要在兩次碳鏈延伸過程中，如電源開關(guān)般進(jìn)行關(guān)閉或開啟，從而催化形成不同的結(jié)構(gòu)（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56: 5503-5506）。盡管如此，但在相鄰模塊中與相應(yīng)結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的烯醇還原酶結(jié)構(gòu)域的缺失依然是一個(gè)難解之謎。為了解答這一困擾，首先利用體內(nèi)遺傳學(xué)方法證明了Module 1/2中的ER1/2結(jié)構(gòu)域參與了Module 3聚酮鏈中間體雙鍵的還原過程。為進(jìn)一步驗(yàn)證ER1/2結(jié)構(gòu)域這一獨(dú)特的催化現(xiàn)象，在體外重建了Module 3聚酮鏈的延伸及中間體雙鍵的還原過程，最終證明了ER1/2結(jié)構(gòu)域不僅具有選擇性催化雙鍵還原的特性，同時(shí)還具有以反式作用方式催化相鄰模塊Module 3上聚酮鏈中間體雙鍵的還原。
此外，還對(duì)Module 1/2進(jìn)行了結(jié)構(gòu)域拆分及體外活性測(cè)試，更為精細(xì)地考察了Module 1/2中其它結(jié)構(gòu)域在ER1/2結(jié)構(gòu)域“借用”中的發(fā)揮的作用。通過對(duì)比分析不同組合ER1/2結(jié)構(gòu)域的催化活性，證明了ER1/2與酮基還原酶結(jié)構(gòu)域（Ketoreductase, KR）KR1/2是以反式作用催化Module 3聚酮鏈中間體雙鍵還原的最小功能單元，該結(jié)果也暗示了KR1/2結(jié)構(gòu)域?qū)τ贓R1/2結(jié)構(gòu)域發(fā)揮“借用”功能在空間結(jié)構(gòu)上可能具有一定的輔助功能。盡管PKS功能與產(chǎn)物結(jié)構(gòu)非線性對(duì)應(yīng)的案例偶有發(fā)現(xiàn)，但相鄰催化模塊之間的這一新穎而獨(dú)特的結(jié)構(gòu)域跨模塊“借用”方式依然讓我們對(duì)自然界的鬼斧神工充滿驚喜和期待。這一發(fā)現(xiàn)也讓我們有機(jī)會(huì)一窺這個(gè)豐富多彩大自然的奧妙與神奇，不僅進(jìn)一步拓展了人們對(duì)PKS經(jīng)典的線性裝配模式的認(rèn)知，也進(jìn)一步豐富了聚酮化合物組合生物合成的工具庫，有望為聚酮藥物的人工創(chuàng)新提供新的契機(jī)和靈感。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202011357
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com