周寧一團隊揭示微生物分解代謝芳烴中羧基分子內(nèi)遷移的機制
近日，上海交通大學生命科學技術(shù)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(fā)現(xiàn)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(nèi)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(guān)成果“The molecular basis for the intramolecular migration (NIH shift) of the carboxyl group during para-hydroxybenzoate catabolism”發(fā)表在《Molecular Microbiology》上。博士生趙環(huán)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(huán)上的氫原子、鹵素、乙酸、烷基以及羧基等基團羥基化反應(yīng)時引起的一種基團分子內(nèi)遷移現(xiàn)象，普遍存在于哺乳動物的疾病、藥物代謝、抗生素合成以及芳烴降解中。已有文獻報道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(guān)報道。
圖1. 對羥基苯甲酸的龍膽酸代謝途徑以及羧基的分子內(nèi)遷移
羧基的分子內(nèi)遷移主要發(fā)現(xiàn)于微生物的PHB有氧分解代謝中。PHB 主要通過木質(zhì)素的降解被釋放到環(huán)境中，可以作為碳源被自然界中的許多微生物所利用，并與植物病原菌的致病性有關(guān)。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(nèi)遷移的GA途徑。前兩條途徑的分子機制已經(jīng)研究清楚，但微生物通過GA途徑自發(fā)現(xiàn)后40多年以來并無基因和酶學相關(guān)報道。
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(fā)現(xiàn)了負責將PHB轉(zhuǎn)化為GA的基因簇(phgABC)以及代謝GA至三羧酸循環(huán)的下游基因簇(bagILK)。通過穩(wěn)定同位素實驗證明了PHB轉(zhuǎn)化為GA的過程中，羧基發(fā)生了分子內(nèi)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(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn)，羧基的分子內(nèi)遷移是經(jīng)由CoA硫酯化合物的形成、苯環(huán)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(nèi)遷移的本質(zhì)是p-hydroxybenzoyl-CoA中酰基輔酶A(acyl-CoA thioester)的遷移（圖1）。這一羧基分子內(nèi)遷移模式的發(fā)現(xiàn)揭示了硫酯化合物在生物化學過程中新的功能，并體現(xiàn)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(fā)展計劃的資助。上海交大生命科學技術(shù)學院的許楹副研究員與林雙君教授以及美國西佛羅里達大學Jim Spain教授也參與其中。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mmi.14094
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