上交大蔣明課題組：II型聚酮化合物生物合成中一個短鏈脫氫酶家族蛋白的環化功能

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

II型聚酮化合物是小分子臨床藥物的重要來源，如化療藥物阿黴素和光神黴素、臨床抗生素四環素等，但其中大多數化合物的生物合成過程及蘊含的生物化學機制，尤其是它們的碳骨架生物合成機制並不清晰。其中，II型聚酮化合物的成環方式對它們的結構多樣性和生物活性至關重要，探究它們的環化機制對發現新穎的酶催化反應具有重要意義。此外，SDR家族蛋白是最大、最多樣化的NAD(P)依賴酶超家族之一，已知的SDR家族蛋白超過47,000個。但據已有報道而知，目前並沒有關於SDR家族蛋白作為環化酶案例的報道。

近日，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室鄧子新院士團隊在Angewandte Chemie 上發表了村山醌（Murayaquinone）生物合成研究的最新成果。該團隊利用體內遺傳學、生物資訊學、蛋白定點突變以及分子模擬等方法，較為深入的研究了村山醌（Murayaquinone）的生物合成過程中短鏈脫氫酶超家族（SDR）蛋白MrqM的功能。

圖1. 村山醌的生物合成基因簇及其推測的合成途徑

前期研究中，村山醌生物合成基因簇包含三個典型的短鏈脫氫酶（MrqF、MrqH和MrqM），但是在推測的村山醌生物合成過程中，只需要其中的兩個酶MrqF和MrqH發揮作用，而第三個短鏈脫氫酶MrqM似乎是冗餘的。敲除mrqM基因的突變株主要積累代謝產物（SEK43）。從結構上看SEK43只是完成了村山醌合成中第一個環的環化與芳香化，而沒有形成第二個環，這暗示MrqM與村山醌第二個環的環化酶切相關。

圖2. 聚酮化合物中典型的SDR家族蛋白的生信分析

接著在生物資訊學和蛋白分子模擬對接的指導下對MrqM進行定點突變，從而驗證了Y151和K155是MrqM及其同源蛋白髮揮環化功能必須的關鍵殘基，並推測了具體的環化機制。其次，透過化學合成同源基因rslO3和msnO1，揭示不同種屬中存在mrqM相似的功能基因，表明了 MrqM在聚酮化合物合成過程中發揮環化功能的廣泛性與重要性。此外，作者透過體內遺傳學還驗證了C-9酮基還原酶MrqF和芳香化酶MrqE的功能，並發現原先推測的負責村山醌中第二和三環環化的MrqD的功能是催化生物合成過程中聚酮鏈的釋放。

此項工作探究的SDR超家族蛋白MrqM，在村山醌生物合成過程中作為一個環化酶，負責村山醌第二個環的環化。這不僅拓寬了SDR超家族蛋白的功能，也為今後聚酮類化合物的環化與工程化改造提供了理論指導並奠定了堅實基礎。

圖3. 聚酮化合物底物在MrqM 結合口袋中的對接模擬示意圖

這一成果近期發表在權威期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie）上，文章的第一作者是上海交通大學生命科學技術學院的博士研究生高耀傑，蔣明副研究員為通訊作者。該研究工作獲得了國家重點研發計劃（2018YFA0900402）、國家自然科學基金（31870026、21661140002）的資助。

Unexpected Role of a Short-Chain Dehydrogenase/Reductase Family Protein in Type II Polyketide Biosynthesis

Yaojie Gao, Yuchun Zhao, Jie Zhou, Maohua Yang, Lin Lin, Wenning Wang, Meifeng Tao, Zixin Deng, Ming Jiang

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110445

導師介紹

鄧子新

https://www.x-mol.com/university/faculty/71465