中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋微生物代謝工程與生物合成研究團(tuán)隊(duì)在海洋微生物氧雜蒽酮生物合成機(jī)制研究中取得新進(jìn)展。9月14日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
包含氧雜蒽酮骨架的天然產(chǎn)物具有抗炎、抗氧化、抑菌及抗腫瘤等多種活性。自四十多年前首次報(bào)道氧雜蒽酮類化合物以來(lái)，該類部分化合物已成為藥物研發(fā)的明星分子。目前，已發(fā)展了較多關(guān)于氧雜蒽酮類化合物的化學(xué)合成方法，但放線菌來(lái)源化合物的氧雜蒽酮骨架的生物合成過程和酶學(xué)機(jī)制尚不清楚。
研究團(tuán)隊(duì)早期在海洋小單孢菌SCSIO N60中發(fā)現(xiàn)了Fluostatin C (7)，與kinamycin A (11)同屬苯并芴類非典型角環(huán)素。前期，研究闡明fluostatin生物合成途徑中的黃素氧化酶FlsO2具有雙功能，能夠催化氧化和脫水反應(yīng)，將8形成9（圖1）。基因缺失突變株△flsO2中仍可觀察到少量的化合物9，暗示基因簇中的其他氧化酶可能互補(bǔ)FlsO2的體內(nèi)功能（Org. Lett., 2015, 17, 5324）。kinamycins生物合成研究表明單加氧酶AlpJ（FlsG同源蛋白）催化9的縮環(huán)反應(yīng)形成苯并芴中間體12，黃素氧化酶AlpK可能負(fù)責(zé)12的C-5位羥化形成13。前期的體內(nèi)研究也發(fā)現(xiàn)，AlpK的同源酶FlsO1具有類似的C-5位羥化功能（J. Org. Chem., 2021, 86, 11019）（圖1），但因化合物12不穩(wěn)定而無(wú)法獲得，從而限制了FlsO1的體外功能研究。然而，研究獲得了nenestatin A生物合成中間體nenestatin C (14)（Org. Biomol. Chem., 2021,19, 4243），其結(jié)構(gòu)與12類似，可作為12的模擬底物進(jìn)行FlsO1的體外功能研究（圖1）。
基于上述工作，研究發(fā)現(xiàn)黃素氧化酶FlsO1能夠體外催化多元氧化反應(yīng)，一方面可以催化前體8形成產(chǎn)物9，從而回補(bǔ)FlsO2的生理功能；另一方面可以將8轉(zhuǎn)化為多個(gè)產(chǎn)物，包括氧雜蒽酮化合物16和17（圖1）。此外，研究通過同位素標(biāo)記、中間體或其衍生物的結(jié)構(gòu)鑒定等實(shí)驗(yàn)，闡釋了FlsO1通過催化三步級(jí)聯(lián)氧化反應(yīng)（羥化、環(huán)氧化和Baeyer-Villiger氧化）形成氧雜蒽酮的反應(yīng)機(jī)理（圖2）；發(fā)現(xiàn)FlsO1能夠催化完成14（模擬生理底物12）的C-5羥基化，間接證明了FlsO1的生理功能；通過FlsO1酶的晶體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵中間體的docking分析和氨基酸殘基定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)，揭示了FlsO1接受不同底物，催化多元氧化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
本研究發(fā)現(xiàn)了海洋放線菌中顯著不同于真菌和植物中氧雜蒽酮環(huán)的生物合成機(jī)制，闡明了多功能黃素氧化酶FlsO1催化多元氧化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，拓展了黃素蛋白功能研究的視野，為氧雜蒽酮的結(jié)構(gòu)多樣化和構(gòu)效關(guān)系研究提供了新的工具酶和研究手段。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、王寬誠(chéng)教育基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目和南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)等的支持。
圖1.多功能氧化酶FlsO1的生理功能和意外發(fā)現(xiàn)的新功能
圖2.FlsO1催化氧雜蒽酮環(huán)形成的酶學(xué)機(jī)制
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所
