【合成生物学】阿泊拉霉素生物合成过程中辛醣核心结构的生物合成起源及其组装机制- 大数跨境

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2023-10-15

导读：美国德克萨斯大学奥斯汀分校刘鸿文教授实验室成功破译了神秘的阿泊拉霉素辛醣核心结构的生物合成，过程中他们也发现了一种新型的转醛醇酶。

阿泊拉霉素（apramycin，1）是一个氨基糖苷类抗生素，因为其特殊的十元双环核心结构，长期来生物化学及药物学家们对这个天然产物的生物合成途径都很感兴趣。阿泊拉霉素的生物合成基因簇已于Streptoalloteichus tenebrarius (S. tenebrarius) 及S. hindustanus这两个菌株中被发现并且定序，许多生物合成步骤也已被研究，特別是生成6′-oxolividamine（2）的途径，以及从7′-N-acetyl-demethylaprosamine（3）到阿泊拉霉素之间的部分途径，都已发表。然而，生成辛糖的关键反应及其催化反应的酶却仍属未知。近期，美国德克萨斯大学奥斯汀分校刘鸿文教授实验室成功破译了神秘的阿泊拉霉素辛醣核心结构的生物合成，过程中他们也发现了一种新型的转醛醇酶。该酶称为AprG，与其他已知转醛醇酶相比缺乏序列的同源性。此外AprG 的反应与其他已知转醛醇酶相异之处在于它的底物特殊，以及在反应过程中立体化学的守衡性与众不同。AprG可将一个两碳片断从一个N-乙酰己糖切下，并连接至6′-oxolividamine（2），进而生成带有辛糖的生物合成中间体3。

尽管过去已有关于辛醣生物合成的假设被提出，并暗示构建辛糖的酶是个转醛醇酶，可是作者最初在分析阿泊拉霉素基因簇时却无功而返。后来，一个缺乏注释的基因（aprG）得到了他们的关注，根据生物信息分析，aprG这个基因产物与GlcNAc-2-epimerase具有一定程度的结构关系，因此辛糖源于带有N-乙酰官能团的代谢产物的假设就此横空出世，而 aprG的基因产物参与了相关反应傕化的设想也应运而生。这个假设与喂养实验结果相呼应，显示辛糖确实来自于带有N-乙酰功能团的代谢产物。紧接着一系列严谨的异源基因表达、蛋白质纯化、有机合成、体外测定与分析产物的工作确认了AprG的确能够催化转醛醇酶反应，将两碳片断从N-乙酰葡萄糖（GlcNAc）或者N-乙酰半乳糖（GalNAc）切下，并转移到2来产生3。为了进一步探讨AprG的机理，数个AprG单点突变株也被制造出来，并用于寻找潜在的生物合成反应中间体。研究结果显示AprG与其他一级醛醇酶一样，使用底物酶亚胺的共价键中间体来实现转醛醇化，但是相比于传统转醛醇酶催化反应中常见的保留立体化学结果，AprG催化的转醛醇化反应经历了反转立体化学的机制，足以显示其特异性。此外，这种生成辛糖的生物转换有着另外一个前所未有的发现，辛醣的建构目前已知有两种类型，即 [5 + 3] 联结和 [6 + 2] 联结。AprG被归类为后者，然而与其他 [6 + 2] 联结的例子相比，AprG并非以丙酮酸或是羟基丙酮酸作为两碳供体，而只接受完全己糖如GlcNAc或者GalNAc为供体。

上述报导的AprG特性将这个酶与其他转醛醇酶区别开来，这点与缺乏序列同源性之证据一致。尚未明朗的是，依目前对AprG的了解，还无法确定AprG的出现是源自于趋同演化还是趋异演化的结果。因此，透过发现并阐释AprG催化的反应不仅帮助破译阿泊拉霉素的生物合成途径，并且提出关于初级与次级代谢的演化关系和多样化的新问题。此工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，刘鸿文教授课题组的博士研究生范博勋与博士后研究员佐藤秀亮及葉祐成并列为本篇文章的第一作者，刘鸿文教授为通讯作者。

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