生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄧子新團隊發(fā)現(xiàn)新型短鏈脫氫酶在II型聚酮天然產(chǎn)物生物合成中的環(huán)化功能
近日，上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點實驗室鄧子新團隊在國際著名期刊德國應(yīng)用化學(xué)《Angewandte Chemie》（IF：15.336）上發(fā)表題為“Unexpected Role of a Short-chain Dehydrogenase/Reductase Family Protein in Type II Polyketide Biosynthesis”的研究論文。該論文主要研究了在II型聚酮化合物村山醌（Murayaquinone）生物合成的環(huán)化過程中，短鏈脫氫酶超家族（SDR）蛋白MrqM的功能。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生高耀杰為該論文第一作者，蔣明副研究員為通訊作者。
圖1.村山醌的生物合成基因簇及其推測的合成途徑
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II型聚酮化合物是小分子臨床藥物的重要來源，如化療藥物阿霉素和光神霉素、臨床抗生素四環(huán)素等。它們生物合成過程及蘊含的生物化學(xué)機制，尤其是碳骨架的生物合成機制研究，依然存在較大挑戰(zhàn)亟待細致研究。其中，II型聚酮化合物的成環(huán)方式對它們的結(jié)構(gòu)多樣性和生物活性至關(guān)重要，探究它們的環(huán)化機制對發(fā)現(xiàn)新穎的酶催化反應(yīng)具有重要意義。SDR家族蛋白是最大最多樣化的NAD(P)依賴酶超家族之一，已知的SDR家族蛋白超過47,000個。但據(jù)我們所知，目前并沒有關(guān)于SDR家族蛋白作為II型聚酮環(huán)化酶案例的報道。
村山醌系由鏈霉菌產(chǎn)生的一種芳香聚酮抗生素，分子中含有天然產(chǎn)物罕見的9,10-菲醌母核；不同于直鏈的9,10-蒽醌,9,10-菲醌的芳香環(huán)呈角形排列。在村山醌生物合成基因簇包含三個典型的短鏈脫氫酶（MrqF、MrqH和MrqM），在前期推測的村山醌生物合成過程中，只需要其中兩個酶MrqF和MrqH發(fā)揮作用，而第三個短鏈脫氫酶MrqM似乎是冗余的。通過體內(nèi)遺傳學(xué)、生物信息學(xué)、蛋白定點突變以及分子模擬等方法，作者發(fā)現(xiàn)敲除了mrqM基因的突變株主要積累代謝產(chǎn)物（SEK43），從結(jié)構(gòu)上看SEK43只完成了村山醌合成中第一個環(huán)的環(huán)化與芳香化，而沒有形成第二個環(huán)，這暗示MrqM與村山醌第二個環(huán)的環(huán)化密切相關(guān)。接著對MrqM進行定點突變，驗證了Y151和K155是MrqM及其同源蛋白發(fā)揮環(huán)化功能必須的關(guān)鍵殘基位點，并推測了具體的環(huán)化機制。此外通過化學(xué)合成同源基因rslO3和msnO1，并將它們回補至mrqM的缺失突變株后成功回復(fù)野生型表型，揭示了不同種屬中存在與mrqM相似的功能基因，這表明了MrqM在II型聚酮化合物合成過程中發(fā)揮環(huán)化功能的廣泛性與重要性。
圖2.MrqM催化的環(huán)化機制示意圖
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總之，該工作所探究的SDR超家族蛋白MrqM，在村山醌生物合成過程中作為一個環(huán)化酶，負責(zé)村山醌第二個環(huán)的環(huán)化。此項發(fā)現(xiàn)，不僅拓寬了SDR超家族蛋白的功能，而且也為今后聚酮類化合物的環(huán)化與工程化改造提供了理論指導(dǎo)并奠定了堅實基礎(chǔ)。
蔣明課題組長期從事村山醌、醌那霉素等II型聚酮天然產(chǎn)物的生物合成研究。該論文是他們在實現(xiàn)村山醌異源表達并鑒定其碳骨架重排（Cell?Chemical?Biology，2017）研究成果后的又一重要進展。該研究工作獲得了國家重點研發(fā)計劃?（2018YFA0900402），國家自然科學(xué)基金（31870026、21661140002）的資助。
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論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110445
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