海洋微生物氧杂蒽酮生物合成研究取得进展

  中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室海洋微生物代谢工程与生物合成研究团队在海洋微生物氧杂蒽酮生物合成机制研究中取得新进展,相关成果于2022年9月14日在线发表于Nature Communications(《自然·通讯》)。
  包含氧杂蒽酮骨架的天然产物具有抗炎、抗氧化、抑菌及抗肿瘤等多种活性。自四十多年前首次报道氧杂蒽酮类化合物以来,该类部分化合物已成为药物研发的明星分子,如被FDA批准用于治疗口腔溃疡的药物amlexanox、用于治疗肺纤维化的先导药物xantholipin以及广谱的抗球虫药物simaomicin α。目前已发展了较多关于氧杂蒽酮类化合物的化学合成方法,但放线菌来源化合物的氧杂蒽酮骨架的生物合成过程和酶学机制仍不清楚。
  研究团队早期从海洋小单孢菌SCSIO N60中发现了Fluostatin C (7),与kinamycin A (11)同属苯并芴类非典型角环素。前期研究阐明fluostatin生物合成途径中的黄素氧化酶FlsO2具有双功能,能够催化氧化和脱水反应,将8形成9(图1)。但奇怪的是基因缺失突变株△flsO2中仍可观察到少量的化合物9,暗示基因簇中的其他氧化酶可能互补FlsO2的体内功能(Org. Lett., 2015, 17, 5324)。kinamycins生物合成研究表明单加氧酶AlpJ(FlsG同源蛋白)催化9的缩环反应形成苯并芴中间体12,黄素氧化酶AlpK可能负责12的C-5位羟化形成13。团队的前期体内研究也发现AlpK的同源酶FlsO1具有类似的C-5位羟化功能(J. Org. Chem., 2021, 86, 11019)(图1),但因化合物12不稳定而无法获得,从而限制了FlsO1的体外功能研究。然而有趣的是,团队近期获得了nenestatin A生物合成中间体nenestatin C (14)(Org. Biomol. Chem., 2021,19, 4243),其结构与12类似,可作为12的模拟底物进行FlsO1的体外功能研究(图1)。
  基于上述科学问题研究人员发现黄素氧化酶FlsO1能够体外催化多元氧化反应,一方面确实可以催化前体8形成产物9,从而回补FlsO2的生理功能,另一方面还可以将8转化为多个产物,包括氧杂蒽酮化合物16和17(图1)。此外,研究人员通过同位素标记、中间体或其衍生物的结构鉴定等实验阐明了FlsO1通过催化三步级联氧化反应(羟化、环氧化和Baeyer-Villiger氧化)形成氧杂蒽酮的反应机理(图2);同时发现FlsO1还能够催化完成14(模拟生理底物12)的C-5羟基化,间接证明了FlsO1的生理功能;通过FlsO1酶的晶体结构、关键中间体的docking分析和氨基酸残基定点突变实验揭示了FlsO1接受不同底物,催化多元氧化反应的结构基础。
  综上所述,本研究发现了海洋放线菌中显著不同于真菌和植物中氧杂蒽酮环的生物合成机制,阐明了多功能黄素氧化酶FlsO1催化多元氧化反应的结构基础,拓展了黄素蛋白功能研究的视野,为氧杂蒽酮的结构多样化和构效关系研究提供了新的工具酶和研究手段。
  中国科学院南海海洋研究所杨春芳副研究员和张丽萍副研究员为本文共同第一作者,张长生研究员为本文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金委项目、海南省重大科技计划项目、国家重点研发计划项目、王宽诚教育基金项目、中国科学院青年创新促进会、广东省海洋经济发展专项资金项目和南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项等资助。
  相关论文信息:Chunfang Yang#, Liping Zhang#, Wenjun Zhang, Chunshuai Huang, Yiguang Zhu, Xiaodong Jiang, Wei Liu, Mengran Zhao, Bidhan Chandra De, and Changsheng Zhang*, Biochemical and structural insights of multifunctional flavin-dependent monooxygenase FlsO1-catalyzed unexpected xanthone formation. Nature Communications  2022, 13, 5386. doi.org/10.1038/s41467-022-33131-0
  https://www.nature.com/articles/s41467-022-33131-0
  

 

  图1 多功能氧化酶FlsO1的生理功能和意外发现的新功能
  

 

  图2  FlsO1催化氧杂蒽酮环形成的酶学机制

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