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微生物前沿|天然溴化：酶、底物和溴化机制

汉斯出版社

2024-08-16

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导读：

溴在自然界主要以可溶或不可溶的溴化物形式存在，溴化物在农业、化工、医药等领域具有广泛的应用潜力。动植物和微生物也可以利用溴化酶合成天然有机溴化物。随着越来越多的溴化酶被发现，溴化现象被认为是生物合成与代谢途径中的修饰策略之一。本文从以下五个方面综述了天然溴化研究领域的最新进展，包括：(1) 溴化物的分布；(2) 天然溴化物的生物学功能及其对生态环境的影响；(3) 天然溴化物的临床应用潜力；(4) 溴化酶的分类与作用机理；(5) 近期报道的溴化酶。最后，讨论了溴化酶研究领域未来急需解决的科学问题。

基本信息：

天然溴化：酶、底物和溴化机制

Naturally Occurring Bromination: Enzymes, Substrates and the Underlying Mechanisms

作者：

胡文达, 郑哲麟, 何亚文*：上海交通大学生命科学技术学院，微生物代谢国家重点实验室，教育部代谢与发育科学国际合作联合实验室，上海

关键词:

溴；天然有机溴化物；溴化酶；溴过氧化酶；黄素依赖型溴化酶

项目基金：

国家自然科学基金(31972231、32172355)

原文链接：

https://doi.org/10.12677/amb.2024.132012

内容简介：

在汉斯出版社《微生物前沿》期刊上，有论文主要总结了活性天然溴代化合物研究的最新进展，并聚焦介绍自 2014 年以来发现的新型黄素依赖型溴化酶，为回答“为何选择溴化”这一科学问题提供思路。

卤族元素在自然界广泛分布，天然卤代有机物广泛存在于细菌、真菌、动植物乃至人类体内。目前已经发现一万多种天然卤代有机物，主要包括氯代有机物、溴代有机物、碘代有机物和氟代有机物，其数量和种类每年还在稳定增长(图1)。

相当一部分有机溴化物具有较强的毒性，因此被广泛地用作生物种间攻防战的化学武器。海绵会合成大量溴代酪氨酸、溴酚、溴代异恶唑啉等毒性溴化物以抵御细菌侵染。在物理创伤、感染等条件的诱导下，一些海绵体内的有机溴代物浓度甚至可超过自身体重的10%，而一些海绵寄生菌群也进化出相应去溴化机制，以应对海绵的化学防御。海藻体内存在完整的活性氧合成酶–溴过氧化酶途径，用于生成以溴仿为主的毒性溴化物，并由专门的运输机制运至植物表面，对海藻表面的细菌生物膜起到重要的抑制作用。

目前结构与功能完全鉴定的溴化酶不多，借鉴卤化酶分类方式，已知的溴化酶大致可以分为两类：溴过氧化酶和黄素依赖型溴化酶。前者可以继续细分为血红素铁依赖型溴过氧化酶(Heme-Fe BPO)和钒依赖型溴过氧化酶(Vanadium-BPO, V-BPO)；后者细分为直接作用于小分子自由底物的溴化酶和需要底物通过磷酸泛酰巯基乙胺连接酶固定于载体蛋白的溴化酶(图2)。是否还存在第三类溴化酶有待更多的研究。

真菌Calariomyces fumago来源的CPO是人类发现的第一个天然卤化酶，能够在血红素铁辅基的参与下催化环乙酰基丙酮的二氯化修饰。此后，多个依赖于血红素铁的溴过氧化酶也被陆续报道。Heme-Fe BPO结构中包含一血红素原卟啉基团，基团中心的铁元素以+3价态形式与蛋白活性中心的氨基酸(组氨酸或半胱氨酸)相连接(图3(A))。过氧化氢(H2O2)能够轴向连接于铁离子并将其氧化，形成一个+heme-Fe(4+)=O结构，称作复合物I过渡态。复合物I有很高的氧化能力，可以进攻溴离子，产生活泼的HBrO分子，催化HBrO与亲核碳位点的结合。

V-BPO于1984年在褐藻(Ascophyllum nodosum)中首次发现，随后，多个来自各类藻类植物的BPO被定为钒依赖型。V-BPO所产生的HBrO被释放至水溶液环境中自由地进攻各类亲核官能团，因此，V-BPO通常具有较差的底物、区位选择性，其催化的反应往往生成溴化位点与数量不一的混合物。目前为数不多的V-BPO晶体结构中也没有发现溴原子或底物结合位点。即便如此，V-BPO仍能够对小部分底物产生区域与空间的特异性催化。很多V-BPO对吲哚及衍生物具有很强的偏好性，且可以催化选择性的溴化和氧化反应(图4(A))。

相比于黄素依赖型氯化酶，能够高效利用溴元素的黄素依赖型溴化酶只在近15年内才被陆续发现。相比BPO，每个FDB都体现出显著的底物与位点选择性，且时常伴随于天然产物合成基因簇出现。这类蛋白能够通过氧化溴离子生成次溴酸，以特异地亲电取代芳香环、杂环或其他类似结构上的富电子位点。FDB与黄素依赖型氯化酶具有类似的催化机理和性质，但对卤素的偏好性差异使得两者之间产生清晰的分界。FDB依赖还原型黄素二核苷酸(FADH2)作为辅因子。因此，溴化反应一般需要单独的FAD还原酶共同参与，以完成黄素的循环使用。

自然界中存在的多溴二苯醚(PBDE)类物质包含了溴苯、溴化杂环相互偶联得到的混合产物，多源于生物合成与食物网积累。Agarwal等人(2014)在假交替单胞菌(Pseudoalteromonas sp.)中发现了一个负责合成PBDE的bmp基因簇，该基因簇中的两个基因分别编码黄素依赖型溴化酶Bmp2与Bmp5。Bmp2对其底物ACP(Acyl Carrier Protein)-TE(Thioesterase)-吡咯进行最多4个溴原子的取代，生成2,3,4,5-四溴吡咯。其中，第四个溴原子的修饰(C-5位点)能够促进底物的脱羧与释放，并随后在专性去溴化酶Bmp8催化下脱去，最终形成2,3,4-三溴吡咯(图5(A))。对蛋白晶体结构的解析认为，Bmp2独特的四溴化能力可能源于其侧链存在3个不同于其他吡咯卤化酶的氨基酸残基。将这3个残基突变为其他卤化酶的保守序列后，Bmp2结构不会改变，但只能催化一溴取代。

结论

天然溴化物在自然界广泛存在，具有多种生物学功能，影响海洋生态环境，还具有临床应用潜力。天然溴化物的生物合成由溴化酶负责，其成员主要包括溴过氧化物酶和黄素依赖型溴化酶。本文总结了这些溴化酶的特征、催化的底物、参与合成的产物以及可能的作用机理，为未来溴化酶的进一步研究提供科学依据。

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https://doi.org/10.12677/OJNS.2023.111010

所属期刊

-Advances in Microbiology-

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