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微生物所高書山課題組破解過氧化氫酶參與天然產物生物合成機制

作者: 發布時間:2019.10.23 文章來源:

    麥角生物堿類化合物最早于上世紀從真菌中分離得到,并廣泛產生于多種曲霉和青霉,被譽為最重要的臨床藥用分子和天然毒素(圖1A),在歐美市場上被廣泛用來治療癌癥、偏頭疼、產后大出血和帕金森癥,FDA批準的上市藥物有12種。研究表明,麥角生物堿結構中的Ergoline四元環是該類化合物的藥效團,它與神經遞質的結構比較類似,可以特異性結合人腦中的各種神經遞質受體。自20世紀50年代以來,藥效團Ergoline環中的C環生物合成機制一直是各國科學家的研究重點,在該領域發表了大量論文,前輩科學家的研究證明了EasC和EasE兩個蛋白參與了C環的生物合成(圖1B),但是具體的分子生物學與酶學機制仍然沒有解析清楚。

圖1:(A)麥角生物堿類藥物;(B)中心碳環形成

  煙曲霉(Aspergillus fumigatus)可以產生麥角生物堿fumigaclavine C(圖2A),并且其生物合成基因簇已經被報道。麥角生物堿化合物以色氨酸為起始,在途徑合成的第一步酶(異戊烯基轉移酶DmaW)和第二步酶(甲基轉移酶EasF)催化下合成1。酵母和構巢曲霉中異源表達前四個基因(dmaWeasFeasEeasC),可以得到化合物2。但是體外從12是如何轉化的卻未見報道。本文研究者就這一懸而未決的科學問題展開了研究。

    生物信息學分析EasE是一個FAD依賴的氧化酶,研究者推測其為下一步的催化酶,于是在構巢曲霉中共表達dmaWeasFeasE三個基因,產生了一個新化合物4(圖2B)。將4喂養煙曲霉ΔdmaW菌株,則修復了3的產生,證明4是途徑中的中間體。同源蛋白序列比對發現,EasC與過氧化氫酶(catalase)中的小亞基家族(SSC)高度同源,但是又具有多個不同的保守氨基酸位點。聚類分析發現,EasC蛋白處于一個獨立的分支。這些結果都表明EasC可能不僅僅具有過氧化氫酶活性。此外蛋白同源建模發現,該蛋白含有與SSC類似的heme和NADPH結合位點。因此研究者推測EasC在化合物2的合成中具有重要功能。于是,研究者將easCdmaWeasFeasE基因共同表達于構巢曲霉中,HPLC分析發現產生了新化合物,NMR結構鑒定該化合物的確是化合物2。接著,研究者在大腸桿菌中純化得到了可溶性的EasC蛋白,EasC可以在體外分解過氧化氫,驗證了其過氧化酶活性。由于研究報道的過氧化氫酶和過氧化物酶均利用過氧化氫作為氧化劑,催化氧化還原反應的進行。但是研究者利用各種生化反應手段,包括反應體系添加或不添加過氧化氫、無氧催化、有氧催化、同位素標記(18O2和H218O)等,在體外發現EasC蛋白是利用氧氣作為氧化劑,而不是過氧化氫,區域和對映體選擇性催化兩個非活化的sp3 碳形成C-C鍵,并推測了EasC的催化機制,完整地解析了臨床重要藥物前體四環麥角生物堿的中心碳環形成機制。

  圖2:EasC是一種全新類型的雙功能酶

  本篇文章報道的過氧化氫酶EasC代表了一種全新類型的生物催化劑,它是自然界首個同時具有過氧化氫酶和單加氧酶活性的蛋白(圖2B)。本項目解決了該類藥物研究中半個多世紀以來懸而未決的難題,將為該類藥物的工業菌株優化、代謝工程改造等研究打下堅實基礎。該研究成果已在Journal of the American Chemical SocietyJACS雜志在線發表,題為“A Catalase Involved in Oxidative Cyclization of the Tetracyclic Ergoline of Fungal Ergot Alkaloids”。中科院微生物研究所助理研究員姚永鵬博士和博士后安春艷博士為論文共同第一作者,中科院微生物研究所高書山研究員和加州大學洛杉磯分校K. N. Houk教授為共同通訊作者。該工作受到科技部重點研發計劃、中科院先導專項、自然科學基金委面上和青年項目以及中國科學院青年促進會會員項目的經費支持。

  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10217

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