隨著基因組測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)分析技術(shù)的快速發(fā)展，天然產(chǎn)物的生物合成研究發(fā)展迅速，大量的生物合成基因簇被挖掘和報(bào)道。核糖體肽類天然產(chǎn)物由于其獨(dú)特的生物合成邏輯、新穎復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和多樣的生物、生理活性在天然產(chǎn)物中成為獨(dú)特的類群，其生物合成研究也引發(fā)了廣泛的關(guān)注。目前對(duì)其中獨(dú)特的生物合成酶類的挖掘、酶學(xué)機(jī)制的研究以及新功能化合物的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造是近年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)。
上海有機(jī)所唐功利研究員課題組近期在海洋微生物Thermoactinomyces sp. YM3-251中產(chǎn)生的核糖體肽類天然產(chǎn)物Mechercharmycin A（MCM-A）的生物合成方面取得了新的進(jìn)展。研究人員首先通過(guò)生物信息學(xué)分析、結(jié)構(gòu)比對(duì)等方式，猜測(cè)了該化合物可能是核糖體肽類天然產(chǎn)物，隨后研究人員根據(jù)其結(jié)構(gòu)信息，推測(cè)其潛在的核心肽序列為FIVSSSCS，并在原始產(chǎn)生菌中鎖定了一個(gè)潛在的生物合成基因簇mcm。由于原始菌株難以進(jìn)行基因操作，研究人員嘗試將基因簇mcm在Bacillus subtilis 168中進(jìn)行異源表達(dá)，在添加強(qiáng)啟動(dòng)子pLaps后，成功在發(fā)酵產(chǎn)物中檢測(cè)到MCM-A，對(duì)mcm的所有基因進(jìn)行基因敲除實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基因簇內(nèi)各基因與MCM-A生物合成的相關(guān)性；通過(guò)游離表達(dá)前體肽基因提高了MCM-A的產(chǎn)量，使其遠(yuǎn)高于天然產(chǎn)量，滿足了研究需求。進(jìn)一步利用該異源表達(dá)體系，研究人員通過(guò)組合生物合成策略成功地獲得了17和18兩個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并且生物活性與MCM-A相似的化合物。
由于前體肽在枯草芽孢桿菌異源表達(dá)體系中快速降解，各個(gè)基因敲除突變株并未提供更多有效的中間體與修飾后前體肽的信息，研究人員通過(guò)在大腸桿菌中進(jìn)行后修飾基因與前體肽基因共表達(dá)、分步重構(gòu)的策略，驗(yàn)證了該天然產(chǎn)物的生物合成過(guò)程是由一個(gè)tRNAGlu依賴位點(diǎn)特異性的的脫水酶McmL引發(fā)的，隨后YcaO超家族蛋白McmD1、D2在McmB以及McmC的共同作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生脫水反應(yīng)的前體肽從N端到C端的連續(xù)的4個(gè)噻唑/噁唑結(jié)構(gòu)的合成。與其它核糖體肽的生物合成不同的是，MCM-A為首例后修飾順序中脫水先于雜環(huán)形成的核糖體肽。
結(jié)合基因敲除突變株發(fā)酵液中間體的檢測(cè)和大腸桿菌共表達(dá)、分步重構(gòu)的結(jié)果，研究者推測(cè)了MCM-A的生物合成途徑。本文不僅對(duì)MCM-A的生物合成途徑進(jìn)行了奠基性的探索，并且也為通過(guò)組合生物合成以及基因組挖掘的方法產(chǎn)生或發(fā)現(xiàn)生物活性更好、含多個(gè)噻唑/噁唑結(jié)構(gòu)的核糖體環(huán)肽類化合物奠定了基礎(chǔ)。
圖 （A）mcm基因簇；（B）MCM-A生物合成起始的兩步轉(zhuǎn)化；（C）MCM-A與組合生物合成產(chǎn)物17/18的結(jié)構(gòu)及細(xì)胞毒活性
本工作近期發(fā)表在Cell Chemical Biology（Heterologous characterization of mechercharmycin A biosynthesis reveals alternative insights into posttranslational modifications for RiPPs. Cell Chem. Biol. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.08.005）。唐功利研究員為本文通訊作者，課題組已畢業(yè)博士裴增飛與楊敏杰為本文的共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及中國(guó)科學(xué)院的資助。
