上海交大生命學院周寧一團隊揭示微生物分解代謝芳烴中羧基分子內...

2020-12-22 上海交通大學新聞網

近日，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室周寧一團隊在基因和酶學水平發現了微生物通過龍膽酸(2,5-二羥基苯甲酸, gentisate, GA)分解代謝對羥基苯甲酸(para-hydroxybenzoate, PHB)過程中羧基分子內遷移的分子機理，詳細闡明了一種新穎的基團遷移機制和一條「棄簡從繁」的PHB-GA代謝途徑。相關成果「The molecular basis for the intramolecular migration (NIH shift) of the carboxyl group during para-hydroxybenzoate catabolism」發表在《Molecular Microbiology》上。博士生趙環為第一作者，周寧一教授為通訊作者。

NIH (National Institutes of Health) shift（https://en.wikipedia.org/wiki/NIH_shift）是在微生物分解代謝過程中酶催化苯環上的氫原子、滷素、乙酸、烷基以及羧基等基團羥基化反應時引起的一種基團分子內遷移現象，普遍存在於哺乳動物的疾病、藥物代謝、抗生素合成以及芳烴降解中。已有文獻報導闡明氫原子和乙酸基團的遷移是由單個加氧酶催化完成，但其它基團遷移機理尚無相關報導。

羧基的分子內遷移主要發現於微生物的PHB有氧分解代謝中。PHB 主要通過木質素的降解被釋放到環境中，可以作為碳源被自然界中的許多微生物所利用，並與植物病原菌的致病性有關。PHB的微生物分解代謝包括原兒茶酸和對苯二醌途徑，此外還包括涉及羧基分子內遷移的GA途徑。前兩條途徑的分子機制已經研究清楚，但微生物通過GA途逕自發現後40多年以來並無基因和酶學相關報導。

 

對羥基苯甲酸的龍膽酸代謝途徑以及羧基的分子內遷移

為揭示羧基遷移的分子機理，周寧一團隊在PHB利用菌Brevibacillus laterosporus PHB-7a 中發現了負責將PHB轉化為GA的基因簇(phgABC)以及代謝GA至三羧酸循環的下遊基因簇(bagILK)。通過穩定同位素實驗證明了PHB轉化為GA的過程中，羧基發生了分子內的遷移和保留。研究組進一步對 PhgABC 的三個蛋白分別進行功能驗證和中間代謝產物分析發現，羧基的分子內遷移是經由CoA硫酯化合物的形成、苯環羥基化和硫酯鍵的水解這三步完成的，從而從酶學水平詳細闡明了羧基分子內遷移的本質是p-hydroxybenzoyl-CoA中醯基輔酶A(acyl-CoA thioester)的遷移（如圖）。這一羧基分子內遷移模式的發現揭示了硫酯化合物在生物化學過程中新的功能，並體現了微生物分解代謝芳香化合物途徑的多樣性。

該研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研究發展計劃的資助。上海交大生命學院的許楹副研究員與林雙君教授以及美國西佛羅裡達大學Jim Spain教授也參與其中。

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mmi.14094

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