闡明抗生素A201A中糖的生物合成途徑并揭示新型L-半乳糖變位酶

　　近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鞠建華研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，發(fā)表了深海微生物來(lái)源的抗生素A201A研究的最新突破成果（PNAS， 2017， 114， 4948-4953）。本文威正翔禹/締一生物為您分析闡明抗生素A201A中糖的生物合成途徑并揭示新型L-半乳糖變位酶。

    論文報(bào)道了A201A糖基結(jié)構(gòu)單元的生物合成和后修飾過(guò)程，發(fā)現(xiàn)并闡明了一個(gè)新穎的l-半乳糖吡喃-呋喃型變位酶MtdL。mtdL基因是一個(gè)有效的遺傳標(biāo)記，對(duì)指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)自然界中包含l-呋喃半乳糖結(jié)構(gòu)單元的活性天然產(chǎn)物具有重要指導(dǎo)意義。

　　自然界中的半乳糖（galactose， Gal）有d-和l-兩種構(gòu)型，以六元吡喃糖環(huán)（pyranose）型和五元呋喃型糖環(huán)（furanose）兩種形式存在，因此具有四種異構(gòu)體。哺乳動(dòng)物中的d-Gal只有d-吡喃型（d-galactopyranose， d-Galp），而在細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物以及一些病原生物中常以d-呋喃糖 （d-galactofuranose， d-Galf） 形式存在，并與毒力和致病性有著密切關(guān)系。與d-Gal的廣泛存在相比，l-Gal作為維生素C合成的重要前體，在自然界中還較少被發(fā)現(xiàn)。目前呋喃型的l-Galf在小分子天然產(chǎn)物、動(dòng)物細(xì)胞、植物組織、仔豬、蜂膠、靈芝多糖中被檢測(cè)到，人們對(duì)催化l-Galf生物合成的酶并不清楚。

　　前期工作中，科研人員從深海來(lái)源的放線(xiàn)菌中分離得到核苷類(lèi)抗生素A201A，通過(guò)基因組測(cè)序和基因敲除等手段鑒定了A201A的生物合成基因簇，并闡明一個(gè)負(fù)調(diào)控基因MtdA （Antimicrobial Agents and Chemotherapy， 2012， 56（1）：110-114）的功能?？股谹201A由氨基核苷、α-甲基桂皮酸、含不飽和雙鍵的呋喃己糖和含α-d-鼠李糖四個(gè)結(jié)構(gòu)單元組成（圖1A）。A201A對(duì)G+菌和大多數(shù)厭氧性G-菌具顯著的抗菌活性，通過(guò)作用于核糖體A位點(diǎn)抑制蛋白質(zhì)的合成。

　　研究人員進(jìn)一步對(duì)A201A糖基結(jié)構(gòu)單元的生物合成和后修飾過(guò)程進(jìn)行了剖析。首先，通過(guò)在異源宿主Streptmyces lividans TK64中對(duì)基因簇進(jìn)行異源表達(dá)確定了其邊界（圖1A），接著通過(guò)對(duì)18個(gè)生物合成基因進(jìn)行系列阻斷，突變株產(chǎn)生了10個(gè)新結(jié)構(gòu)衍生物（圖1D）。進(jìn)一步結(jié)合同位素標(biāo)記的前體喂養(yǎng)、體外酶促反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)糖基轉(zhuǎn)移酶MtdG1對(duì)底物的識(shí)別具有一定的寬泛性，能夠裝配GDP-a-d-甘露糖和GDP-a-d-鼠李糖到A201A骨架上；MtdL在二價(jià)陽(yáng)離子Mn2+或 Mg2+存在的情況下，能夠可逆催化GDP-β-l-Galp轉(zhuǎn)化成GDP-a-l-Galf，是自然界中**發(fā)現(xiàn)的吡喃糖-呋喃糖基變位酶（圖1C）；通過(guò)對(duì)MtdL進(jìn)行氨基酸定點(diǎn)突變確證Asp109、Asp111和Arg159是對(duì)其活性負(fù)責(zé)的關(guān)鍵氨基酸殘基。

　　A201A生物合成的后修飾過(guò)程由四個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶MtdM1、MtdM2、MtdM3和MtdM4以及一個(gè)脫氫酶MtdW參與：MtdM1 負(fù)責(zé)A201A中3'-氨基-3'-脫氧腺苷結(jié)構(gòu)單元的N， N-二甲基化； MtdM2和MtdM3分別負(fù)責(zé)A201A中α-d-鼠李糖結(jié)構(gòu)單元OH-C-4‘和OH-C-3’的O-甲基化；MtdM4負(fù)責(zé)L-半乳呋喃糖結(jié)構(gòu)單元中OH-C-5‘的O-甲基化；MtdW是一類(lèi)新穎的脫氫氧化酶，負(fù)責(zé)L-半乳呋喃糖結(jié)構(gòu)單元中C-4/C-5的脫飽和作用。四個(gè)甲基轉(zhuǎn)移酶和脫氫酶具有嚴(yán)格的區(qū)域選擇性和較為寬泛的底物識(shí)別性（圖1D）。科研人員對(duì)采用生物合成技術(shù)獲得的新結(jié)構(gòu)衍生物進(jìn)行了抗菌活性篩選，得到了藥效相當(dāng)?shù)苄缘玫教岣叩乃幬锵葘?dǎo)化合物des-N，N-dimethyl-A201A。

　　鞠建華課題組博士后朱清華和博士陳奇為論文共同**作者。研究工作得到國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)海洋科技專(zhuān)項(xiàng)和廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。

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