中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室海洋微生物代謝工程與生物合成研究團隊在海洋微生物氧雜蒽酮生物合成機制研究中取得新進展。9月14日，相關研究成果在線發(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道氧雜蒽酮類化合物以來，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)展了較多關于氧雜蒽酮類化合物的化學合成方法，但放線菌來源化合物的氧雜蒽酮骨架的生物合成過程和酶學機制尚不清楚。
研究團隊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，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)反應形成苯并芴中間體12，黃素氧化酶AlpK可能負責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，一方面可以催化前體8形成產(chǎn)物9，從而回補FlsO2的生理功能；另一方面可以將8轉(zhuǎn)化為多個產(chǎn)物，包括氧雜蒽酮化合物16和17（圖1）。此外，研究通過同位素標記、中間體或其衍生物的結(jié)構(gòu)鑒定等實驗，闡釋了FlsO1通過催化三步級聯(lián)氧化反應（羥化、環(huán)氧化和Baeyer-Villiger氧化）形成氧雜蒽酮的反應機理（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)、關鍵中間體的docking分析和氨基酸殘基定點突變實驗，揭示了FlsO1接受不同底物，催化多元氧化反應的結(jié)構(gòu)基礎。
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)的生物合成機制，闡明了多功能黃素氧化酶FlsO1催化多元氧化反應的結(jié)構(gòu)基礎，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)效關系研究提供了新的工具酶和研究手段。研究工作得到國家自然科學基金、海南省重大科技計劃項目、國家重點研發(fā)計劃、王寬誠教育基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、廣東省海洋經(jīng)濟發(fā)展專項資金項目和南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項等的支持。
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)形成的酶學機制
來源：中國科學院南海海洋研究所
