《自然?通訊》| 抗MRSA活性天然產(chǎn)物生物合成機(jī)制研究新進(jìn)展
9月9日，《自然?通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了武漢大學(xué)藥學(xué)院孫宇輝教授和張鄭宇特聘研究員課題組關(guān)于活性天然產(chǎn)物曲張鏈絲菌素（Streptovaricins）中亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)生物合成機(jī)制的重要研究進(jìn)展[1]，博士研究生孫果為本論文第一作者。此研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年精英科學(xué)家資助計(jì)劃、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題的大力支持。
抗生素的發(fā)現(xiàn)是人類抵抗疾病漫長(zhǎng)過(guò)程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但隨著在臨床上的大量使用，抗生素耐藥性已經(jīng)成為藥物研發(fā)的重要掣肘。金黃色葡萄球菌是臨床上引起感染的常見(jiàn)病原菌，然而，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）等耐藥菌的出現(xiàn)，使得對(duì)這一病原菌感染的治療變得尤為棘手。因此，發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新這類抗耐藥菌藥物成為了人們的迫切愿望。
孫宇輝課題組在前期針對(duì)抗MRSA活性天然產(chǎn)物的大量研究中，從武漢大學(xué)校園土壤中分離到的一株鏈霉菌（Streptomyces spectabilis CCTCC M2017417）中發(fā)現(xiàn)了一類具有抗MRSA活性的萘安莎類抗生素，經(jīng)鑒定為曲張鏈絲菌素，它在結(jié)構(gòu)上與著名的肺結(jié)核明星藥治療物利福霉素同屬一個(gè)家族。通過(guò)微生物分子遺傳學(xué)、生物化學(xué)等方法，對(duì)曲張鏈絲菌素生物合成中參與活性結(jié)構(gòu)的多個(gè)細(xì)胞色素P450酶編碼基因進(jìn)行了全面探索，并對(duì)定向遺傳改造獲得的曲張鏈絲菌素系列新結(jié)構(gòu)衍生物的抗MRSA活性進(jìn)行了表征。相關(guān)的研究成果已發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)?化學(xué)生物學(xué)》（ACS Chemical Biology, 2017, 12: 2589-2597）[2]。在此基礎(chǔ)上，近期結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段，對(duì)曲張鏈絲菌素中獨(dú)特且與抗MRSA活性密切偶聯(lián)的亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)的生物合成機(jī)制進(jìn)行了深入的揭示。
首先，根據(jù)生物信息學(xué)分析及前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)該菌細(xì)胞色素P450酶StvP2有可能是負(fù)責(zé)曲張鏈絲菌素結(jié)構(gòu)中亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵酶。從其突變株中分離獲得的關(guān)鍵中間體及相應(yīng)的體外酶學(xué)催化結(jié)果充分地證實(shí)了這一推測(cè)。隨后，通過(guò)多重遺傳敲除所構(gòu)建的突變株中系列中間體的分離和鑒定，對(duì)該酶催化特性進(jìn)行了探究，表征出它所催化的亞甲基雙氧橋合成反應(yīng)的非典型底物抑制動(dòng)力學(xué)特征。
為了從本質(zhì)上解析StvP2催化亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，通過(guò)與張鄭宇特聘研究員課題組合作，利用X-ray晶體衍射分別解析了該酶在無(wú)底物和有底物結(jié)合時(shí)的蛋白晶體結(jié)構(gòu)，揭示了其中獨(dú)特的催化三聯(lián)體所負(fù)責(zé)的“酮式-烯醇式”互變異構(gòu)，并通過(guò)單加氧反應(yīng)及后續(xù)的成環(huán)過(guò)程，最終形成具有亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)的終產(chǎn)物，該催化機(jī)制進(jìn)一步被關(guān)鍵氨基酸殘基系列點(diǎn)突變及生化證據(jù)所證實(shí)。
為完整闡釋亞甲基雙氧橋形成的生物合成途徑，巧妙地借用了菠菜來(lái)源的電子傳遞和還原系統(tǒng)，在體外成功地重建了由甲基化酶StvM1、?；窼tvA2和氧化酶StvP2共同參與的亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)形成過(guò)程。這一研究進(jìn)展向我們展示了曲張鏈絲菌素及其該類化合物生物合成過(guò)程中的核心步驟，深入解析了亞甲基雙氧橋形成的酶學(xué)機(jī)制，為后續(xù)曲張鏈絲菌素類化合物的理性結(jié)構(gòu)改造及其抗MRSA活性藥物的研發(fā)提供了精準(zhǔn)的“導(dǎo)航圖”。
孫宇輝教授和張鄭宇特聘研究員同屬藥學(xué)院鄧子新院士團(tuán)隊(duì)成員，均為近年來(lái)從海外引進(jìn)人才，他們分別聚焦于微生物遺傳學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，此項(xiàng)工作從學(xué)科的互補(bǔ)性和交叉性充分體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)合作在解答復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。
相關(guān)論文鏈接：
[1] Guo Sun, Chaoqun Hu, Qing Mei, Minghe Luo, Xu Chen, Zhengyuan Li, Yuanzhen Liu, Zixin Deng, Zhengyu Zhang* and Yuhui Sun*, Uncovering the cytochrome P450-catalyzed methylenedioxy bridge formation in streptovaricins biosynthesis. Nature Communications 2020, 11: 4501. [https://www.nature.com/articles/s41467-020-18336-5]
[2] Yuanzhen Liu, Xu Chen, Zhengyuan Li, Wei Xu, Weixin Tao, Jie Wu, Jian Yang, Zixin Deng and Yuhui Sun*, Functional analysis of cytochrome P450s involved in streptovaricin biosynthesis and generation of anti-MRSA analogues. ACS Chemical Biology 2017, 12: 2589-2597. [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acschembio.7b00467]
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