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劉玲研究員JACS中發文:環氧環己醇類天然產物生物合成中的新策略——由高度還原型聚酮合酶途徑合成水楊醛類芳香中間體

作者: 發布時間:2020.01.19 文章來源:

  真菌聚酮合酶(polyketide synthases, PKSs)是一類高度程序化的迭代型I型聚酮合酶,通過一組功能結構域的迭代和交替使用,可以精確合成具有特定結構的聚酮產物,如降膽固醇藥物洛伐他汀等。依據所合成聚酮產物骨架結構的還原程度,真菌PKSs被分為三大類,即高度還原型聚酮合酶(highly reducing PKSs, HRPKSs)、部分還原型聚酮合酶(partially reducing PKSs, PRPKSs)和非還原型聚酮合酶(nonreducing PKSs, NRPKSs)。其中,HRPKSs催化合成高度還原的聚酮化合物,而NRPKSs和PRPKSs則催化合成芳香類聚酮化合物。然而,近期有文獻表明,HRPKS基因簇可以合成水楊醛類芳香聚酮化合物,雖然其合成機制尚不明確,但仍然超出了人們對HRPKSs的預期。基因組生物信息學分析結果揭示,真菌基因組中存在大量功能未知的HRPKSs編碼基因及相關的天然產物生物合成基因簇。因此,擴展對HRPKSs功能以及HRPKS基因簇所編碼合成天然產物化學多樣性的認知具有重要意義。 

  最近,研究人員通過基因組挖掘,證實來源于生防菌Trichoderma virens 的一個HRPKS基因簇(vir基因簇)負責合成環氧環己醇類新天然產物trichoxide(化合物1)。在研究該化合物的生物合成過程中,解析了一種合成芳香類聚酮化合物的新策略(圖1):由HRPKS負責合成高度還原的線性聚酮產物,然后經由不同短鏈脫氫酶家族蛋白催化特定位置β-羥基的選擇性氧化重新轉變成β-酮,從而實現分子內的縮合環化,并最終芳構化形成6-取代水楊醛(化合物4)。 

 

  圖1. 芳香類聚酮化合物的生物合成新策略 

 

  研究人員首先利用負責合成6-取代水楊醛sordarial的srd基因簇為模板對已測序真菌基因組進行生物信息學分析,搜尋到一個在許多木霉屬真菌中保守的HRPKS基因簇,并選取了來自Trichoderma virens中的vir基因簇作為研究對象(圖2)。通過在構巢曲霉(Aspergillus nidulans)中異源表達,確定了vir基因簇負責合成環氧環己醇類化合物1。活性測試結果顯示,1具有較好的抗白色念珠菌活性。同時,vir基因簇的異源表達還產了1的生物合成中間體,即芳香類化合物2-4。 

  為揭示2-4的生物合成機制,研究人員先表征了HRPKS VirA的功能,其負責合成含有多羥基結構的線性聚酮化合物5(圖2)。進一步,他們通過不同后修飾基因與virA的組合,先后確定了參與將5轉變成4的基因,即virB和virD。體內共表達實驗以及體外的生化實驗均證實,VirB催化5中7-位羥基的選擇性氧化形成7-位羰基化合物6,而VirD則催化6中3-位羥基的選擇性氧化,形成化合物8,并經分子內aldol縮合與脫水,生成6-取代水楊醛4(圖2)。有趣的是,VirD在有還原性輔因子NADH存在下可以快速將6還原成7。 

 

  圖2. Trichoxide 1的生物合成 

 

  在此基礎上,研究人員也對vir基因簇中其他基因的功能展開了相應的研究,并證實短鏈脫氫酶VirG負責4到3的轉化,細胞色素P450 VirE負責3中苯環上的羥化形成2,而其他氧化還原酶VirH/I/K/L則負責2的去芳構化并將其轉化成最終產物1。 

  該研究成果,不僅展示了一種全新的經由高度還原的線性聚酮化合物前體合成芳香類聚酮化合物的生物合成邏輯,而且也擴展了經由HRPKS途徑可獲得的天然產物的化學空間。 

  該工作主要由中科院微生物所真菌室劉玲研究員完成,美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的唐奕教授和上海交通大學生命科學技術學院的唐滿成副教授為共同通訊作者。 

 

 

 

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