PNAS:闡明抗生素A201A中糖的生物合成途徑並揭示新型L-半乳糖變位酶

 

近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室鞠建華研究團隊，在國際期刊《美國國家科學院院刊》上，發表了深海微生物來源的抗生素A201A研究的最新突破成果（PNAS， 2017， 114， 4948-4953）。論文報導了A201A糖基結構單元的生物合成和後修飾過程，發現並闡明了一個新穎的l-半乳糖吡喃-呋喃型變位酶MtdL。mtdL基因是一個有效的遺傳標記，對指導發現自然界中包含l-呋喃半乳糖結構單元的活性天然產物具有重要指導意義。

自然界中的半乳糖（galactose， Gal）有d-和l-兩種構型，以六元吡喃糖環（pyranose)型和五元呋喃型糖環（furanose)兩種形式存在，因此具有四種異構體。哺乳動物中的d-Gal只有d-吡喃型(d-galactopyranose， d-Galp)，而在細菌、真菌、原生動物以及一些病原生物中常以d-呋喃糖 (d-galactofuranose， d-Galf) 形式存在，並與毒力和致病性有著密切關係。與d-Gal的廣泛存在相比，l-Gal作為維生素C合成的重要前體，在自然界中還較少被發現。目前呋喃型的l-Galf在小分子天然產物、動物細胞、植物組織、仔豬、蜂膠、靈芝多糖中被檢測到，人們對催化l-Galf生物合成的酶並不清楚。

前期工作中，科研人員從深海來源的放線菌中分離得到核苷類抗生素A201A，通過基因組測序和基因敲除等手段鑑定了A201A的生物合成基因簇，並闡明一個負調控基因MtdA (Antimicrobial Agents and Chemotherapy， 2012， 56(1)：110-114)的功能。抗生素A201A由氨基核苷、α-甲基桂皮酸、含不飽和雙鍵的呋喃己糖和含α-d-鼠李糖四個結構單元組成（圖1A）。A201A對G+菌和大多數厭氧性G-菌具顯著的抗菌活性，通過作用於核糖體A位點抑制蛋白質的合成。

研究人員進一步對A201A糖基結構單元的生物合成和後修飾過程進行了剖析。首先，通過在異源宿主Streptmyces lividans TK64中對基因簇進行異源表達確定了其邊界（圖1A），接著通過對18個生物合成基因進行系列阻斷，突變株產生了10個新結構衍生物（圖1D）。進一步結合同位素標記的前體餵養、體外酶促反應實驗結果，發現糖基轉移酶MtdG1對底物的識別具有一定的寬泛性，能夠裝配GDP-a-d-甘露糖和GDP-a-d-鼠李糖到A201A骨架上；MtdL在二價陽離子Mn2+或 Mg2+存在的情況下，能夠可逆催化GDP-β-l-Galp轉化成GDP-a-l-Galf，是自然界中首次發現的吡喃糖-呋喃糖基變位酶（圖1C）；通過對MtdL進行胺基酸定點突變確證Asp109、Asp111和Arg159是對其活性負責的關鍵胺基酸殘基。

A201A生物合成的後修飾過程由四個甲基轉移酶MtdM1、MtdM2、MtdM3和MtdM4以及一個脫氫酶MtdW參與：MtdM1 負責A201A中3'-氨基-3'-脫氧腺苷結構單元的N， N-二甲基化； MtdM2和MtdM3分別負責A201A中α-d-鼠李糖結構單元OH-C-4'和OH-C-3'的O-甲基化；MtdM4負責L-半乳呋喃糖結構單元中OH-C-5'的O-甲基化；MtdW是一類新穎的脫氫氧化酶，負責L-半乳呋喃糖結構單元中C-4/C-5的脫飽和作用。四個甲基轉移酶和脫氫酶具有嚴格的區域選擇性和較為寬泛的底物識別性（圖1D）。科研人員對採用生物合成技術獲得的新結構衍生物進行了抗菌活性篩選，得到了藥效相當但水溶性得到提高的藥物先導化合物des-N，N-dimethyl-A201A。

鞠建華課題組博士後朱清華和博士陳奇為論文共同第一作者。研究工作得到國家傑出青年科學基金、中科院戰略先導海洋科技專項和廣東省自然科學基金團隊等項目的資助。(生物谷Bioon.com）