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科研进展

真菌来源quadrane骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成研究获重大进展

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时间:2024-05-22  作者:LMB  来源:文本大小:【 |  | 】  【打印

近期,中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室(LMB)/广东省海洋药物重点实验室(LMM)闫岩研究员团队完成了对真菌来源的quadrane新骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成研究,成果发表在英国皇家化学会旗舰期刊《Chemical Science》上,文章被该刊评为每周亮点论文和2024热点论文。

倍半萜是萜类化合物中占比最多的一种,分子中含15个碳原子,由三个异戊二烯单元组成链状、环状等多种骨架结构,分布于植物、昆虫、微生物等生物中,具有广泛的生物活性,是医药、食品和化妆品研发的重要源泉。Terrecyclic acid是一类由环戊烷骈双环辛烷组合而成的quadrane倍半萜骨架,经过氧化后修饰而成的一类具有抗菌、抗肿瘤活性天然产物。该类化合物最早发现于土曲霉,后又相继从不同来源的真菌和柳珊瑚中发现(如图1)。

图1 来自真菌(A)和柳珊瑚(B)的天然quadrane倍半萜

由于quadrane骨架的特殊结构与良好的生物学活性,其制备方法的研究受到广泛关注,其中合成化学家先后开发出20余条合成路线。然而由于该类化合物特殊的结构和成环方式,使得其化学合成步骤多,产率较低,在一定程度阻碍了先导药物的开发。通过合成生物学方法大量制备quadrane类天然产物,是解决这一问题的有效策略。同位素示踪实验表明,quadrane骨架的生物合成可能经历了两种完全不同的途径,即Hirota途径和Coates途径。尽管计算化学研究表明后者的可能性更高,但quadrane骨架的生物合成基因与其形成的确切酶学机制仍有待证实(路径图1)。

路径图1 推测的 β-terrecyclene形成途径. (A) Hirota途径 (蓝色)和Coates分别由FPP生成的β-terrecyclene。(B) Coates重排形成的 α-terrecyclene。

闫岩研究员团队通过对真菌基因组的挖掘,发现了该类化合物的生物合成基因簇ter,包括一个萜类环化酶(terpene cyclase,TC)即terA、一个P450氧化基因(terB)、一个短链脱氢基因(terC)和一个主要协同转运因子超家族基因(terD),如图2A。通过异源表达、体内喂养、体外酶反应等研究,验证了基因簇中各基因的功能(图2B-2E),证实了其生物合成途径:即在环化酶TerA的作用下催化FPP产生化合物25,进而产物25被P450酶TerB羟化和羧基化产生化合物32,最后32被脱氢酶TerC催化形成终产物2,如图2F。

图2 抗肿瘤倍半萜terrecyclic acid的生物合成途径解析 (A)Terrecyclic acid的生物合成基因簇;(B)蛋白TerA在酵母S. cerevisae中的异源表达(i)和体外反应(ii);(C)基因簇ter在A. nidulans中的异源表达:(i)A. nidulans的空白对照,(ii)基因terAB在A. nidulans中的异源表达,ii)基因terABC在A. nidulans中的异源表达;(D)蛋白TerC的体外反应:(i)蛋白TerC将底物32转化为2,(ii)煮沸过的TerC对底物32失活,(iii)蛋白TerC对底物33无反应;(E)蛋白TerB的体外反应:(i)微粒体蛋白TerB可以催化底物25转化为32,(ii)蛋白TerB和TerC可以将25转化为2;(F)Terrecyclic acid (2)的生物合成途径。

在发现新型倍半萜环化酶(β-terrecyclene合酶,TerA)可以催化法尼基焦磷酸(FPP)转化为β-terrecyclene(25)的基础上,通过对TerA的系列定点突变研究(图3),结合动力学同位素效应分析(图4),确证了环化过程为Coates途径,而非最早提出的Hirota途径。

图3 基因terA的点突变、产物及其机制

图4 突变株TerA-V114A的动力学同位素效应 (A) 通过 [12-2H3]-FPP 的动力学同位素效应区分Hirota和Coates途径. (B) FPP和[12-2H3]-FPP 为底物比较TerA-V114A产物的动力学同位素效应。

通过以上研究,作者发现了抗菌、抗肿瘤quadrane骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成基因簇,以此为基础,解析了其通过β-terrecyclene环化酶TerA形成quadrane骨架,继而氧化、脱氢的后修饰的生物合成过程。Quadrane骨架的形成机制也通过对蛋白TerA的点突变和动力学同位素效应得以证实,从而解决了几十年来关于该类天然产物生物合成研究的谜团。该研究也为进一步以萜类环化酶TerA为探针,从真菌数据库中对quadrane类天然产物的发掘奠定了基础。

以上研究,副研究员宋永相为第一作者,研究员闫岩为通讯作者。由济南大学的王文贵博士,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)唐奕(Yi Tang)教授团队合作完成。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、海南省科技计划三亚崖州湾科技城科技创新联合项目、国家自然科学基金、中国科学院王宽诚率先人才计划“卢嘉锡国际团队项目”和海南省自然科学基金、广东特支计划 “海洋药物研究开发创新团队”等的资助。

Chemical Science作为英国皇家化学会资助的旗舰期刊,对各国研究人员在化学领域取得的突破性成果,经评审接收后免费发表,并对全球读者开放获取。文章接收后,被Chemical Science评为每周亮点论文(2024 ChemSci Pick of the Week Collection和2024热点论文(2024 Chemical Science HOT Article Collection)。

本文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc01208a。

文章相关信息:Yongxiang Song, Wengui Wang, Jiafan Yang, De-Wei Gao, John M Billingsley, Songtao Wang, Yiguang Zhu, Junfeng Wang, Jianhua Ju, Yan Yan* and Yi Tang. Chem. Sci., 2024, doi.org/10.1039/D4SC01208A

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