周宁一团队揭示微生物分解代谢芳烃中羧基分子内迁移的机制

发布时间 :2018-11-05  阅读次数 :2438

近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室周宁一团队在基因和酶学水平发现了微生物通过龙胆酸(2,5-二羟基苯甲酸, gentisate, GA)分解代谢对羟基苯甲酸(para-hydroxybenzoate, PHB)过程中羧基分子内迁移的分子机理,详细阐明了一种新颖的基团迁移机制和一条“弃简从繁”的PHB-GA代谢途径。相关成果“The molecular basis for the intramolecular migration (NIH shift) of the carboxyl group during para-hydroxybenzoate catabolism”发表在《Molecular Microbiology》上。博士生赵环为第一作者,周宁一教授为通讯作者。

 

       NIH (National Institutes of Health) shift(https://en.wikipedia.org/wiki/NIH_shift)是在微生物分解代谢过程中酶催化苯环上的氢原子、卤素、乙酸、烷基以及羧基等基团羟基化反应时引起的一种基团分子内迁移现象,普遍存在于哺乳动物的疾病、药物代谢、抗生素合成以及芳烃降解中。已有文献报道阐明氢原子和乙酸基团的迁移是由单个加氧酶催化完成,但其它基团迁移机理尚无相关报道。

 

图1. 对羟基苯甲酸的龙胆酸代谢途径以及羧基的分子内迁移

 

       羧基的分子内迁移主要发现于微生物的PHB有氧分解代谢中。PHB 主要通过木质素的降解被释放到环境中,可以作为碳源被自然界中的许多微生物所利用,并与植物病原菌的致病性有关。PHB的微生物分解代谢包括原儿茶酸和对苯二醌途径,此外还包括涉及羧基分子内迁移的GA途径。前两条途径的分子机制已经研究清楚,但微生物通过GA途径自发现后40多年以来并无基因和酶学相关报道。

 

       为揭示羧基迁移的分子机理,周宁一团队在PHB利用菌Brevibacillus laterosporus PHB-7a 中发现了负责将PHB转化为GA的基因簇(phgABC)以及代谢GA至三羧酸循环的下游基因簇(bagILK)。通过稳定同位素实验证明了PHB转化为GA的过程中,羧基发生了分子内的迁移和保留。研究组进一步对 PhgABC 的三个蛋白分别进行功能验证和中间代谢产物分析发现,羧基的分子内迁移是经由CoA硫酯化合物的形成、苯环羟基化和硫酯键的水解这三步完成的,从而从酶学水平详细阐明了羧基分子内迁移的本质是p-hydroxybenzoyl-CoA中酰基辅酶A(acyl-CoA thioester)的迁移(图1)。这一羧基分子内迁移模式的发现揭示了硫酯化合物在生物化学过程中新的功能,并体现了微生物分解代谢芳香化合物途径的多样性。

 

       该研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研究发展计划的资助。上海交大生命学院的许楹副研究员与林双君教授以及美国西佛罗里达大学Jim Spain教授也参与其中。

 

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mmi.14094

 

文字 | 许楹

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