生命科学技术学院邓子新团队发现新型短链脱氢酶在II型聚酮天然产物生物合成中的环化功能
发布时间 :2021-11-18  阅读次数 :242

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邓子新团队在国际著名期刊德国应用化学《Angewandte Chemie》(IF:15.336)上发表题为“Unexpected Role of a Short-chain Dehydrogenase/Reductase Family Protein in Type II Polyketide Biosynthesis”的研究论文。该论文主要研究了在II型聚酮化合物村山醌(Murayaquinone)生物合成的环化过程中,短链脱氢酶超家族(SDR)蛋白MrqM的功能。上海交通大学生命科学技术学院博士研究生高耀杰为该论文第一作者,蒋明副研究员为通讯作者。

图1.村山醌的生物合成基因簇及其推测的合成途径

 

II型聚酮化合物是小分子临床药物的重要来源,如化疗药物阿霉素和光神霉素、临床抗生素四环素等。它们生物合成过程及蕴含的生物化学机制,尤其是碳骨架的生物合成机制研究,依然存在较大挑战亟待细致研究。其中,II型聚酮化合物的成环方式对它们的结构多样性和生物活性至关重要,探究它们的环化机制对发现新颖的酶催化反应具有重要意义。SDR家族蛋白是最大最多样化的NAD(P)依赖酶超家族之一,已知的SDR家族蛋白超过47,000个。但据我们所知,目前并没有关于SDR家族蛋白作为II型聚酮环化酶案例的报道。

村山醌系由链霉菌产生的一种芳香聚酮抗生素,分子中含有天然产物罕见的9,10-菲醌母核;不同于直链的9,10-蒽醌,9,10-菲醌的芳香环呈角形排列。在村山醌生物合成基因簇包含三个典型的短链脱氢酶(MrqF、MrqH和MrqM),在前期推测的村山醌生物合成过程中,只需要其中两个酶MrqF和MrqH发挥作用,而第三个短链脱氢酶MrqM似乎是冗余的。通过体内遗传学、生物信息学、蛋白定点突变以及分子模拟等方法,作者发现敲除了mrqM基因的突变株主要积累代谢产物(SEK43),从结构上看SEK43只完成了村山醌合成中第一个环的环化与芳香化,而没有形成第二个环,这暗示MrqM与村山醌第二个环的环化密切相关。接着对MrqM进行定点突变,验证了Y151和K155是MrqM及其同源蛋白发挥环化功能必须的关键残基位点,并推测了具体的环化机制。此外通过化学合成同源基因rslO3和msnO1,并将它们回补至mrqM的缺失突变株后成功回复野生型表型,揭示了不同种属中存在与mrqM相似的功能基因,这表明了MrqM在II型聚酮化合物合成过程中发挥环化功能的广泛性与重要性。

图2.MrqM催化的环化机制示意图

 

总之,该工作所探究的SDR超家族蛋白MrqM,在村山醌生物合成过程中作为一个环化酶,负责村山醌第二个环的环化。此项发现,不仅拓宽了SDR超家族蛋白的功能,而且也为今后聚酮类化合物的环化与工程化改造提供了理论指导并奠定了坚实基础。

蒋明课题组长期从事村山醌、醌那霉素等II型聚酮天然产物的生物合成研究。该论文是他们在实现村山醌异源表达并鉴定其碳骨架重排(Cell Chemical Biology,2017)研究成果后的又一重要进展。该研究工作获得了国家重点研发计划 (2018YFA0900402),国家自然科学基金(31870026、21661140002)的资助。

 

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110445