以大黃素為代表的蒽醌類(lèi)化合物是一類(lèi)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(kāi)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(kāi)環(huán)機(jī)制卻仍存在疑團(tuán)。
日前，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所微生物制造工程中心研究人員針對(duì)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(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)雙酶催化的蒽醌雙加氧開(kāi)環(huán)新機(jī)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(guó)化學(xué)會(huì)志》(J. Am. Chem. Soc.)上。
大黃素-8-甲醚是一種蒽醌類(lèi)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(shí)驗(yàn)和日本學(xué)者Sankawa等的研究結(jié)果，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界一直傾向于大黃素-8-甲醚的Baeyer-Villiger氧化開(kāi)環(huán)假說(shuō)。基于該假說(shuō)，一個(gè)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(jìn)而水解開(kāi)環(huán)形成開(kāi)環(huán)產(chǎn)物desmethylsulochrin。但是，本工作中研究人員通過(guò)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(gè)酶共同催化了大黃素-8-甲醚的開(kāi)環(huán)過(guò)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(jìn)而大黃素-8-甲醚氫醌在GedK的作用下開(kāi)環(huán)產(chǎn)生desmethylsulochrin。
進(jìn)一步18O同位素追蹤實(shí)驗(yàn)顯示，開(kāi)環(huán)產(chǎn)物desmethylsulochrin中新增的兩個(gè)氧原子均來(lái)源于同一個(gè)O2分子，且GedK執(zhí)行催化開(kāi)環(huán)功能并不需要輔因子FAD和NADPH的參與，這說(shuō)明GedK是一類(lèi)獨(dú)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(kāi)環(huán)假說(shuō)，并提出了一種雙酶催化雙加氧反應(yīng)介導(dǎo)的蒽醌開(kāi)環(huán)新機(jī)制。
有意思的是，還原酶GedF和雙加氧酶GedK雙酶開(kāi)環(huán)系統(tǒng)具有較廣的底物寬泛性，可催化多種蒽醌類(lèi)化合物開(kāi)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(duì)出現(xiàn)并存在共進(jìn)化關(guān)系。本研究的開(kāi)展不僅為闡明更加復(fù)雜的裂醌化合物生物合成機(jī)制提供了借鑒，更為合成生物學(xué)元件庫(kù)提供了兩種全新的酶學(xué)元件。
研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省人才計(jì)劃和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
關(guān)鍵詞： 青島能源所 蒽醌類(lèi)天然產(chǎn)物開(kāi)環(huán)新機(jī)制 大黃素
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