硫肽类抗生素是一类由微生物产生的核糖体肽类天然产物，大多具备良好的抗革兰氏阳性菌活性，在结构上都包含唑杂环、脱氢氨基酸以及一个以核心氮杂六元环为中心的大环，是核糖体肽类天然产物中结构最为复杂的一类。除介导共同大环骨架形成的共同翻译后修饰外，硫肽生物合成途径通常还涉及多种特异性翻译后修饰（PTM）以产生结构多样性。为了在细菌宿主内实现此类硫肽的精准高效合成，如何将各类翻译后修饰按合适的顺序进行排列成为需要解决的关键问题，否则酶促反应的底物混杂性可能会导致途径分支产生非预期副产物。目前尽管形成硫肽共有框架所需的翻译后修饰机制已被阐明，但依赖额外特异性的酶活性来构建侧环系统的双环硫肽类化合物的生物合成机制仍不清楚。前期，Nosiheptide侧环单元甲基吲哚酸（MIA）的形成和上载及关环机制已被解析（图1）。近日，中国科学院上海有机化学研究所刘文课题组在J. Am. Chem. Soc. 上发表研究成果，完整阐释了Nosiheptide双环骨架之间的形成逻辑。
图1. 硫肽类天然产物及Nosiheptide有关的生物合成
首先，该研究团队通过链霉菌体系的异源表达，只表达前体肽NosM与硫肽共有的后修饰酶，可以检测到5噻唑形成的中间体2发生不同程度脱水修饰的肽段，并发现了微量末端酰胺化的前导肽LP-NH2，暗示单环产物5的产生。后续的体外生化实验证明5脱水的中间体2-5×H2O确实可以转化为单环硫肽骨架（图2）。
图2. NosDEFGHO可催化形成单环硫肽
随后，研究团队还探究了侧环MIA的引入对硫肽框架形成的影响，发现MIA的上载不仅显著提升了脱水酶的催化效率，还改变了其脱水顺序。中间体3在脱水酶的作用下形成了与2-1×H2O、2-2×H2O、2-3×H2O、2-4×H2O和2-5×H2O在脱水位置和模式上完全不同的5种脱水中间体——3-1×H2O、3-2×H2O、3-3×H2O、3-4×H2O和3-5×H2O，并且3-5×H2O极易转化为含MIA的硫肽产物6（图3）。这表明MIA的引入这一特异性PTM发生在脱水和吡啶形成这两个硫肽共有的PTM之前。
图3. MIA引入对硫肽框架形成的影响
最后，研究团队考察了侧环关闭的时机，发现NosN作用发生在脱水与吡啶形成之间。若在脱水反应前引入侧环关闭，会导致核心肽中的Thr4不能脱水，而形成仅能在体外检测到的分支产物。
图4. Nosiheptide的生物合成逻辑
总之，该课题组证实了侧环体系的形成在特征大环框架的建立过程中发生，总共使用了11种酶，通过5个翻译后修饰步骤协调有序地加工前体肽NosM（图4）：（1）利用环化脱水酶复合体NosGH和脱氢酶NosF安装5个噻唑环；（2）α/β水解酶折叠蛋白NosK通过酰化作用，将自由基SAM酶NosL合成并经腺苷酸化蛋白NosI与硫酯化蛋白NosJ以硫酯化形式激活的MIA，转移至未修饰的半胱氨酸残基上；（3）脱水酶NosDE处理丝氨酸/苏氨酸，发生5次脱水形成脱氢氨基酸；（4）另一自由基SAM酶NosN通过C1单元引入将MIA与谷氨酸残基连接，形成侧环体系；（5）吡啶合酶NosO催化[4+2]环加成反应和随后的芳构化完成主要大环框架的构筑。该研究为核糖体肽基本框架的发展提供了一个自然模型，即通过引入额外的翻译后修饰来增加化学复杂性，以满足潜在的生物需求。这项研究不仅加深了对核糖体肽生物合成的理解，更为基于合成生物学策略理性设计、开发及生产功能性多肽制剂奠定了重要理论基础。
上海有机所刘文团队博士生熊一娇为该论文的第一作者，上海有机所刘文研究员为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究计划、上海市科技重大专项和上海市科委的支持。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Unveiling the Biosynthetic Logic of Nosiheptide Based on Reconstitution of Its Bicyclic Thiopeptide Scaffold
Yijiao Xiong, Heng Guo, Wen Liu*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c03922
导师介绍
刘文
