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杜藝嶺課題組Angew Chem Int Ed發文揭示抗腫瘤抗病毒分子呂宋肽菌素的生物合成機理

來源 : 基(ji)礎醫學系    發布時間 : 2021-07-02    瀏覽次數 : 717

以呂宋肽菌素(luzopeptins)為代表的環酯十肽類(cyclic decadepsipeptides)微生物合成代謝產物具有C2對稱性骨架結構。它們能以一定的構象嵌入到DNA雙螺旋相鄰的兩個小溝中,具有良好的抗菌、抗腫瘤、抗病毒活性。前期研究已發現,呂宋肽菌素分子結構中的4-羥基-2,3,4,5-四氫噠嗪-3-羧酸(4-OH-Thp)結構單元是關鍵的藥效團,其4-羥基上的乙酰化修飾對呂宋肽菌素生物活性起決定性作用。例如,雙乙酰化的呂宋肽菌素組分A的抗腫瘤、抗菌活性最強,但抗病毒活性最弱,而去乙酰化的呂宋肽菌素組分C抗病毒活性最強,并且幾乎沒有細胞毒性。同時,呂宋肽菌素結構中的Thp單元也存在于其他的一些非核糖體肽類天然產物中,其稀有腙基(hydrazone)上的碳氮雙鍵(C=N)可以引發肽鏈的β-轉角結構,因此Thp也是一種很有應用前景的肽鏈結構砌塊。然而,長期以來,呂宋肽菌素的生物合成機理,特別是Thp單元中腙基形成的生化基礎一直是一個謎。

2021627日,國際化學領域權威刊物《Angewandte Chemie International Edition》(《德國應用化學》)雜志在線發表了來自加拿大pc、加拿大pc醫學院附屬第一醫院杜藝嶺課題組的研究論文“Enzymatic Tailoring in Luzopeptin Biosynthesis Involves Cytochrome P450-Mediated Carbon-Nitrogen Bond Desaturation for Hydrazone Formation”. 在這項研究中,研究者通過系統的基因敲除實驗、代謝中間體或副產物(>15個)結構解析以及體外生化反應重構等實驗,系統解析了馬杜拉放線菌中呂宋肽菌素的生物合成機理,揭示了一類新的多功能細胞色素P450Luz26參與肽鏈后修飾過程中六氫噠嗪-3-羧酸(piperazate)單元的C-N鍵脫氫反應,形成腙基。此外,研究者還發現,對呂宋肽菌素生物活性起決定性作用的乙酰化修飾是由一個膜結合的酰基轉移酶催化,通過體外酶學表征與定點突變實驗,研究者推測這步反應是一個跨膜乙酰化過程,即乙酰輔酶A將乙酰基通過酶活性中心的跨膜孔道轉移給已轉運至胞外的受體呂宋肽菌素組分C。因此,這種將無細胞毒性的生物合成中間體先轉移至胞外再修飾成活性終產物可能是一種細菌對自身產生的抗生素耐藥的機制。

另外,鑒于C-N鍵的去飽和反應對于P450家族來說是非常稀有的反應類型,研究者進一步對其催化機理進行了探究。通過以P450Luz26為指導的數據庫挖掘,研究者在江西倫茨氏菌(Lentzea jiangxiensis)的培養物中發現了一系列含哌啶酸結構單元的呂宋肽菌素類似物(江西肽菌素)。對該菌中Luz26的同源蛋白JxpK進行一系列體內與體外實驗結果提示Luz26催化的C-N去飽和反應可能是先羥化后脫水的催化機理。

綜上,該研究解析了呂宋肽菌素的酶促修飾過程,揭示了Thp結構的生物合成途徑。Luz26的碳-氮單鍵脫氫活性拓展了細胞色素P450酶的催化功能,Luz27的跨膜催化提示了細菌對自身產生的抗生素耐藥的新機理。此外,呂宋肽菌素生物合成基因簇的鑒定及類似基因簇的挖掘與產物鑒定為該類化合物今后的結構改造與組合生物合成奠定了基礎。

本文的第一作者為加拿大pc杜藝嶺課題組的博士生施鑫杰和科研助理黃立明,通訊作者為杜藝嶺。該工作受到國家重點研發計劃合成生物學重點專項項目、國家自然科學基金委項目和浙江省自然科學基金項目的支持。

原文鏈接: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202105312

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