上海交大微生物代谢国家重点实验室团队发现芳香聚酮骨架生物合成的新方式
发布时间 :2024-03-08  阅读次数 :1539

近日,国际权威期刊The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)在线发表了上海交大微生物代谢国家重点实验室、生命科学技术学院和张江高等研究院瞿旭东团队成果“An unusual aromatase/cyclase programs the formation of the phenyldimethylanthrone framework in anthrabenzoxocinones and fasamycin”。瞿旭东教授、罗树坤特别研究员为论文的共同通讯作者,博士生姜凯和硕士生陈旭为本文的共同第一作者。

芳香聚酮是一类结构多样的天然产物,其丰富的化学多样性赋予了多种多样的生物学活性。尽管芳香聚酮的结构和功能种类繁多,但它们都是由延伸单元——丙二酰单酰辅酶A通过II型聚酮合成酶(PKSs)催化产生聚酮链。初级的聚酮链随后被芳香化酶/环化酶(ARO/CYCs)环化,形成基本的芳香骨架。之后,额外的酶催化后修饰反应,如甲基化、羟基化和氧化重排,通过修饰基本骨架进一步丰富结构多样性。因此,ARO/CYCs控制的基本骨架在结构多样性的生成中起到了决定性作用。

然而,尽管芳香聚酮数量庞大,但仅有大约8种基本骨架,由8种不同类型的ARO/CYCs形成。此外,这些基本骨架通常由连续的共轭芳环组成,需要2到4类ARO/CYCs协同反应。有趣的是,具有高效抗菌活性和多种生物活性的芳香聚酮(+)-anthrabenzoxocinone [(+)-ABX],(-)-anthrabenzoxocinone [(-)-ABX]和fasamycin(FAS)的独特结构显著区别于以往的连续共轭芳环骨架,这强烈暗示了新型ARO/CYCs和全新的生物合成策略的存在。

在本项研究中,联合课题组首先在体外重构了(+)-ABX,(-)-ABX和FAS途径中共享的PDA骨架的生物合成途径。进一步的体外实验和体内敲除,发现PDA环化过程只需要一种非典型的类TcmI的ARO/CYC(Abx(+)D/Abx(−)D/FasL)和一种甲基转移酶(MT)(Abx(+)M、Abx(−)M和FasT)就能完成非连续共轭四环芳香结构的环化和芳构化。为了深入理解ARO/CYC独特的四环环化机制,联合课题组又解析了Abx(+)D的晶体结构,发现Abx(+)D与其他传统TcmI型ARO/CYCs相比,具有一个独特的loop区,允许ACP挂载的聚酮链深入活性口袋进行催化。最后,通过对Abx(+)D活性位点的突变改造,并结合分子动力学模拟(MD)分析,揭示了关键的催化残基,并证实了Abx(+)D是通过活性口袋的构象控制环化反应的化学结果。这部分工作不仅在II型芳香聚酮骨架生物合成方式的理解上实现了大的突破,还为未来产生新型ARO/CYC和芳香聚酮骨架提供了重要思路。

图 1. II型芳香聚酮生物合成中的基本骨架和ARO/CYCs

该研究工作受到了国家重点研发项目(2018YFA0900400),国家自然科学基金面上项目(31970054),上海市优秀学术带头人项目(22XD1421300)以及上海市自然科学基金项目(23ZR1432800)的支持。

 

论文链接:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321722121