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上海有机所在海洋抗肿瘤环肽天然产物的生物合成研究中取得新进展
2021-09-03 生命有机化学国家重点实验室 | 【】【打印】【关闭
  随着基因组测序技术和生物信息学分析技术的快速发展,天然产物的生物合成研究发展迅速,大量的生物合成基因簇被挖掘和报道。核糖体肽类天然产物由于其独特的生物合成逻辑、新颖复杂的化学结构和多样的生物、生理活性在天然产物中成为独特的类群,其生物合成研究也引发了广泛的关注。目前对其中独特的生物合成酶类的挖掘、酶学机制的研究以及新功能化合物的发现与创造是近年来关注的热点。
  上海有机所唐功利研究员课题组近期在海洋微生物Thermoactinomyces sp. YM3-251中产生的核糖体肽类天然产物Mechercharmycin A(MCM-A)的生物合成方面取得了新的进展。研究人员首先通过生物信息学分析、结构比对等方式,猜测了该化合物可能是核糖体肽类天然产物,随后研究人员根据其结构信息,推测其潜在的核心肽序列为FIVSSSCS,并在原始产生菌中锁定了一个潜在的生物合成基因簇mcm。由于原始菌株难以进行基因操作,研究人员尝试将基因簇mcm在Bacillus subtilis 168中进行异源表达,在添加强启动子pLaps后,成功在发酵产物中检测到MCM-A,对mcm的所有基因进行基因敲除实验,验证了基因簇内各基因与MCM-A生物合成的相关性;通过游离表达前体肽基因提高了MCM-A的产量,使其远高于天然产量,满足了研究需求。进一步利用该异源表达体系,研究人员通过组合生物合成策略成功地获得了17和18两个结构发生改变并且生物活性与MCM-A相似的化合物。
  由于前体肽在枯草芽孢杆菌异源表达体系中快速降解,各个基因敲除突变株并未提供更多有效的中间体与修饰后前体肽的信息,研究人员通过在大肠杆菌中进行后修饰基因与前体肽基因共表达、分步重构的策略,验证了该天然产物的生物合成过程是由一个tRNAGlu依赖位点特异性的的脱水酶McmL引发的,随后YcaO超家族蛋白McmD1、D2在McmB以及McmC的共同作用下,实现对发生脱水反应的前体肽从N端到C端的连续的4个噻唑/噁唑结构的合成。与其它核糖体肽的生物合成不同的是,MCM-A为首例后修饰顺序中脱水先于杂环形成的核糖体肽。
  结合基因敲除突变株发酵液中间体的检测和大肠杆菌共表达、分步重构的结果,研究者推测了MCM-A的生物合成途径。本文不仅对MCM-A的生物合成途径进行了奠基性的探索,并且也为通过组合生物合成以及基因组挖掘的方法产生或发现生物活性更好、含多个噻唑/噁唑结构的核糖体环肽类化合物奠定了基础。
图 (A)mcm基因簇;(B)MCM-A生物合成起始的两步转化;(C)MCM-A与组合生物合成产物17/18的结构及细胞毒活性
  本工作近期发表在Cell Chemical Biology(Heterologous characterization of mechercharmycin A biosynthesis reveals alternative insights into posttranslational modifications for RiPPs. Cell Chem. Biol. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.08.005)。唐功利研究员为本文通讯作者,课题组已毕业博士裴增飞与杨敏杰为本文的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委以及中国科学院的资助。
 
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