以大黃素為代表的蒽醌類化合物是一類廣泛存在于植物和絲狀真菌中的重要天然產(chǎn)物，因其多樣的生物學(xué)活性，如消炎、抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、瀉下等，而備受關(guān)注。蒽醌化合物C10-C4a鍵的切割是導(dǎo)致開環(huán)產(chǎn)生裂醌化合物結(jié)構(gòu)多樣性的關(guān)鍵。盡管裂醌化合物的生物合成途徑已基本清晰，但其中最為關(guān)鍵的蒽醌開環(huán)機制卻仍存在疑團。
日前，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心研究人員針對土曲霉地曲霉素生物合成基因簇中關(guān)鍵基因GedF和GedK展開了研究，發(fā)現(xiàn)了一類雙酶催化的蒽醌雙加氧開環(huán)新機制，相關(guān)成果以Bienzyme-catalytic and dioxygenation-mediated anthraquinone ring opening為題在線發(fā)表在《美國化學(xué)會志》(J. Am. Chem. Soc.)上。
大黃素-8-甲醚是一種蒽醌類化合物，也是土曲霉地曲霉素生物合成途徑中的關(guān)鍵中間體。基于前期同位素追蹤實驗和日本學(xué)者Sankawa等的研究結(jié)果，長期以來科學(xué)界一直傾向于大黃素-8-甲醚的Baeyer-Villiger氧化開環(huán)假說。基于該假說，一個Baeyer-Villiger氧化酶催化大黃素-8-甲醚生成具有七元環(huán)結(jié)構(gòu)的中間體，進而水解開環(huán)形成開環(huán)產(chǎn)物desmethylsulochrin。但是，本工作中研究人員通過一系列體內(nèi)敲除和體外酶活表征研究發(fā)現(xiàn)，GedF和GedK兩個酶共同催化了大黃素-8-甲醚的開環(huán)過程，其中GedF首先催化還原大黃素-8-甲醚產(chǎn)生大黃素-8-甲醚氫醌，進而大黃素-8-甲醚氫醌在GedK的作用下開環(huán)產(chǎn)生desmethylsulochrin。
進一步18O同位素追蹤實驗顯示，開環(huán)產(chǎn)物desmethylsulochrin中新增的兩個氧原子均來源于同一個O2分子，且GedK執(zhí)行催化開環(huán)功能并不需要輔因子FAD和NADPH的參與，這說明GedK是一類獨特的不需要輔因子參與的雙加氧酶。上述發(fā)現(xiàn)徹底推翻了傳統(tǒng)的蒽醌化合物Baeyer-Villiger氧化開環(huán)假說，并提出了一種雙酶催化雙加氧反應(yīng)介導(dǎo)的蒽醌開環(huán)新機制。
有意思的是，還原酶GedF和雙加氧酶GedK雙酶開環(huán)系統(tǒng)具有較廣的底物寬泛性，可催化多種蒽醌類化合物開環(huán)，且其同源蛋白在自然界裂醌化合物生物合成基因簇中成對出現(xiàn)并存在共進化關(guān)系。本研究的開展不僅為闡明更加復(fù)雜的裂醌化合物生物合成機制提供了借鑒，更為合成生物學(xué)元件庫提供了兩種全新的酶學(xué)元件。
研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、山東省人才計劃和國家重點研發(fā)計劃的支持。
關(guān)鍵詞： 青島能源所 蒽醌類天然產(chǎn)物開環(huán)新機制 大黃素
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