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阐明抗生素 A201A 中糖的生物合成途径并揭示新型 L
2017-8-1
图 1.（A）A201A 的生物合成基因簇的组织结构；（B）A201A 的化学结构；（C）变位酶 MtdL 催化 GDP- 吡喃半乳糖和 GDP- 呋喃半乳糖之间的可逆反应；（D）A201A 的生物合成途径中糖的后修饰过程。
近日，中国科学院南海海洋所热带海洋生物资源与生态重点实验室鞠建华研究团队，在科学期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，发表了深海微生物来源的抗生素 A201A 研究的重要突破成果：Deciphering the sugar biosynthetic pathway and tailoring steps of nucleoside antibiotic A201A unveils a GDP-l-galactose mutase（PNAS, 2017, 114, 4948-4953）。 论文报道了 A201A 糖基结构单元的生物合成和后修饰过程，发现并阐明了一个新颖的 l - 半乳糖吡喃 - 呋喃型变位酶 MtdL。mtdL 基因是一个有效的遗传标记，对指导发现自然界中包含 l - 呋喃半乳糖结构单元的活性天然产物具有重要指导意义。
自然界中的半乳糖（galactose,Gal）有 d - 和 l - 两种构型，以六元吡喃糖环（pyranose) 型和五元呋喃型糖环（furanose) 两种形式存在，因此具有四种异构体。哺乳动物中的 d -Gal 只有 d - 吡喃型 (d-galactopyranose, d-Galp)，而在细菌、真菌、原生动物以及一些病原生物中常以 d - 呋喃糖 (d-galactofuranose, d-Galf) 形式存在，并与毒力和致病性有着密切关系。与 d -Gal 的广泛存在相比，l-Gal 作为维生素 C 合成的重要前体，在自然界中还较少被发现。目前呋喃型的 l -Galf 在小分子天然产物、动物细胞、植物组织、仔猪、蜂胶、灵芝多糖中被检测到，人们对催化 l -Galf 生物合成的酶并不清楚。
前期工作中，科研人员从深海来源的放线菌中分离得到核苷类抗生素 A201A，通过基因组测序和基因敲除等手段鉴定了 A201A 的生物合成基因簇，并阐明一个负调控基因 MtdA (Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2012, 56(1):110-114) 的功能。抗生素 A201A 由氨基核苷、α- 甲基桂皮酸、含不饱和双键的呋喃己糖和含α-d- 鼠李糖四个结构单元组成（图 1A）。A201A 对 G + 菌和大多数厌氧性 G - 菌具显著的抗菌活性，通过作用于核糖体 A 位点抑制蛋白质的合成。
研究人员进一步对 A201A 糖基结构单元的生物合成和后修饰过程进行了剖析。首先通过在异源宿主 Streptmyces lividans TK64 中对基因簇进行异源表达确定了其边界（图 1A），接着通过对 18 个生物合成基因进行系列阻断，突变株产生了 10 个新结构衍生物（图 1D）。进一步结合同位素标记的前体喂养、体外酶促反应实验结果，发现糖基转移酶 MtdG1 对底物的识别具有一定的宽泛性，能够装配 GDP-a-d- 甘露糖和 GDP-a-d- 鼠李糖到 A201A 骨架上；MtdL 在二价阳离子 Mn2+ 或 Mg2+ 存在的情况下，能够可逆催化 GDP-β-l-Galp 转化成 GDP-a-l-Galf，是自然界中发现的吡喃糖 - 呋喃糖基变位酶（图 1C）；通过对 MtdL 进行氨基酸定点突变确证 Asp109、Asp111 和 Arg159 是对其活性负责的关键氨基酸残基。
A201A 生物合成的后修饰过程由四个甲基转移酶 MtdM1、MtdM2、MtdM3 和 MtdM4 以及一个脱氢酶 MtdW 参与：MtdM1 负责 A201A 中 3'- 氨基 -3'- 脱氧腺苷结构单元的 N, N- 二甲基化； MtdM2 和 MtdM3 分别负责 A201A 中α-d- 鼠李糖结构单元 OH-C-4'和 OH-C-3' 的 O - 甲基化；MtdM4 负责 L - 半乳呋喃糖结构单元中 OH-C-5' 的 O - 甲基化；MtdW 是一类新颖的脱氢氧化酶，负责 L - 半乳呋喃糖结构单元中 C -4/C- 5 的脱饱和作用。四个甲基转移酶和脱氢酶具有严格的区域选择性和较为宽泛的底物识别性（图 1D）。科研人员对采用生物合成技术获得的新结构衍生物进行了抗菌活性筛选，得到了药效相当但水溶性得到提高的药物先导化合物 des-N,N-dimethyl-A201A
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