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中科院上海有机所唐功利课题组报道海洋天然产物MCM-A生物合成新突破 精选

已有 1581 次阅读 2021-9-1 23:28 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

核糖体肽类天然产物由于其独特的生物合成逻辑(由基因转录、核糖体翻译形成生物合成前体,再由各种后修饰酶作用形成终产物)、新颖复杂的化学结构(套索肽、独特复杂成环等)和良好的生物活性在天然产物中成为独特的类群。随着基因组测序技术和生物信息学分析技术的快速发展,天然产物的生物合成研究发展迅速,大量的生物合成基因簇被挖掘和报道。


目前对于核糖体肽类的生物合成研究中针对独特的生物合成酶类的挖掘、酶学机制的深入研究以及新功能化合物的发现及创造是近年来生物合成研究中的热点。

近日,中国科学院上海有机化学研究所唐功利课题组在海洋天然产物Mechercharmycin (MCM)A的生物合成研究方面取得了新进展。


北京时间2021年9月1日晚23时,相关论文在线发表于Cell Chemical Biology杂志。唐功利研究员为本文通讯作者,课题组已毕业博士裴增飞杨敏杰为共同第一作者。


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MCM-A是由海洋微生物Thermoactinomyces sp. YM3-251产生的核糖体肽类天然产物,属于新的核糖体肽类亚家族,是包含连续的噻唑/噁唑芳香环和特殊的5-苯基噁唑结构的环肽化合物。作者首先通过生物信息学分析,从化合物原产生菌的基因组中搜索到了疑似为MCM-A的核心肽序列(FIVSSSCS),进而定位了可能的生物合成基因簇mcm

 

由于原产生菌株难以进行遗传操作,研究人员将可能的基因簇在枯草芽孢杆菌中进行异源表达,在添加了强启动子pLaps后,成功在发酵液中检测到了MCM-A;对mcm的所有基因进行基因敲除实验,验证了各基因与MCM-A生物合成的相关性;通过游离表达前体肽基因提高了MCM-A的产量,使其远高于天然产量,满足了研究需求。

 

通过对异源表达的前体肽基因进行改造,获得了一系列突变菌株,并成功分离和结构鉴定了两个新的具有相当细胞毒活性的MCM-A类似物17和18,说明该异源表达体系具有获得更多新衍生物的潜力。

 

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图:(A)mcm基因簇;(B)Mechercharmycin A的生物合成的第一、二步转化;(C)Mechercharmycin A与组合生物合成产物17/18的结构及细胞毒活性。

 

由于前体肽在枯草芽孢杆菌异源表达体系中快速降解,很难从敲除突变株中捕捉到生物合成中间体,作者将前体肽基因与各后修饰基因在大肠杆菌中进行共表达,发现由脱水酶McmL催化的tRNAGlu依赖丝氨酸脱水反应为生物合成的第一步反应,该反应具有较高的位置特异性,其转化效率达到95%以上随后发生由YcaO超家族蛋白McmD1D2McmBMcmC的共同作用下催化的N端到C端的连续四个噻唑/噁唑环的形成。与其它核糖体肽生物合成不同的是,MCM-A首例后修饰脱水先于杂环形成的核糖体肽

 

结合基因敲除实验中间体的检测和大肠杆菌共表达结果,作者推测了MCM-A的生物合成途径。该研究为MCM-A生物合成中新酶新机制的深入发掘奠定了基础,为该家族新衍生物的获得提供了范例,也对核糖体肽类天然产物的生物合成提出了新的认识。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.08.005




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