武漢大學孫宇輝組合作Angew,|,聚酮合酶脫水雙模塊結構域共同催化形成Z型雙鍵作用機制

肝臟是人體內以代謝功能為主的一個重要器官。根據Hangtaimycin的化合物結構及模塊中各個結構域的組成,提出了四個可能的模型(圖2)。儘管之前在PKS中已發現脫水雙模塊之間可以合作的管道共同催化一個雙鍵的形成,但是本研究首次證實了這一脫水雙模塊的作用管道和機制。

摘要

近日,《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)線上發表了武漢大學藥學院孫宇輝教授課題組和德國波恩大學Jeroen S. Dickschat教授課題組在聚酮合酶(Polyketide synthase,PKS)生物合成領域最新研究進展,揭示了PKS中A型脫水雙模塊結構域共同催化形成Z型雙鍵的作用機制。該研究得到國家重點研發計畫的支持。

內容

肝臟是人體內以代謝功能為主的一個重要器官。而生活中許多原因都容易導致肝損傷,現代快節奏的生活也加劇了肝損傷的發生,肝損傷後期極易發展成為肝硬化及肝癌,嚴重威脅人類健康。然而,現時臨床抗肝損傷藥物較少,開發新的抗肝損傷藥物成為治療肝損傷的迫切需求。孫宇輝教授課題組前期在微生物活性天然產物的挖掘過程中,從武漢大學校園土壤中分離到的一株鏈黴菌(Streptomyces spectabilisCCTCC M2017417)中發現了一類具有抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistantStaphylococcus aureus,MRSA)活性的萘安莎類抗生素——曲張鏈絲菌素(Streptovaricins),並對參與曲張鏈絲菌素的多個細胞色素P450酶編碼基因進行了全面探索(ACS Chemical Biology,2017,12: 2589-2597),揭示了與其中亞甲基雙氧橋結構相關的生物合成機制(Nature Communications,2020,11: 4501,詳見往期推薦1)。在對這一菌株活性次生代謝產物的進一步挖掘過程中,重新分離獲得了媲美一線抗肝損傷臨床藥物水飛薊素(Silymarin)的活性先導化合物Hangtaimycin,並糾正了其立體化學構型。通過對Hangtaimycin的結構及其生物合成基因簇生物資訊學分析,發現Hangtaimycin的碳骨架化學結構與催化其生物合成的PKS結構域(Domain)功能之間存在非經典線性對應,其中HtmA1中四個模塊(Module)僅負責催化兩輪碳鏈延伸(圖1)。

根據Hangtaimycin的化合物結構及模塊中各個結構域的組成,提出了四個可能的模型(圖2)。為了檢驗模型並確定HtmA1中模塊的催化順序,首先對HtmA1模塊1中的酮基還原酶結構域KR1和脫水酶結構域DH1進行了定點突變。兩個突變株除了終止Hangtaimycin和Hangtaimycin的末端環二肽化合物色氨酸-脫氫丁酸二酮呱嗪(Tryptophan-dehydrobutyrine diketopiperazine,TDD)的生物合成外,並未生成對應的中間體。進一步突變HtmA1模塊3中的DH3和模塊2中的KR2結構域,雖然也沒獲得相應中間體,但它們也都終止了Hangtaimycin和TDD的產生,證明DH3和KR2結構域都參與了Hangtaimycin的生物合成。結合模塊2和模塊3中結構域的組成和排列順序(模塊2:KS2-ATd-KR2-ACP2;模塊3:KS3-DH3-ACP3),暗示模塊2和3可能共同合作完成一輪二碳單元的延伸

KS3中保守催化三聯體Cys-Asn-His的突變,表明KS3可能無催化失活,同時,KR2沒有LDD保守基序(Motif),暗示它可能是第二個Z型雙鍵形成的原因。通過進一步對ACP2、KS3、ACP3進行點突變,所有這些突變株都終止了Hangtaimycin和TDD的產生,表明模塊2可能是在催化延伸引入一個β-OH二碳單元後,聚酮鏈中間體轉移到模塊3,通過DH3脫水作用,最後形成第二個雙鍵(圖3)。為了進一步驗證HtmA1的催化模型,化學合成了第二輪延伸的類比底物(E)-2-butenoyl-SNAc進行模塊1、2和3的體外催化。運用體內遺傳失活、底物化學合成及體外生化重建等方法,最終證明了模塊1僅負責一個不飽和雙鍵單元的延伸,模塊2模塊3以非典型共線性脫水雙模塊的管道,共同催化第二個Z型雙鍵的形成。

在經典的I型PKS催化聚酮碳鏈骨架生物合成過程中,PKS模塊和結構域的數量和功能與其所催化形成的相應化學結構之間存在著嚴格的線性對應關係,即聚酮鏈合成的底物選擇、還原程度和產物的立體化學構型都是由PKS上相應模塊中的結構域所决定,通過對酮基選擇性地還原和脫水,從而在終產物的相應位置形成酮基、羥基、雙鍵等功能團,同時還可决定產物手性中心的立體化學構型。儘管之前在PKS中已發現脫水雙模塊之間可以合作的管道共同催化一個雙鍵的形成,但是本研究首次證實了這一脫水雙模塊的作用管道和機制。這一發現有助於進一步拓展人們對PKS經典的線性裝配模式的認知,也為聚酮藥物的人工創新提供新的契機和靈感。

原文刊載於【遇見生物合成】公眾號

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資料標籤: 科普
本文標題: 武漢大學孫宇輝組合作Angew,|,聚酮合酶脫水雙模塊結構域共同催化形成Z型雙鍵作用機制
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