上海有機所在硫肽類抗生素的生物合成研究方面再獲重要進展
硫肽類抗生素是一類富含元素硫、結(jié)構(gòu)被高度修飾的聚肽類天然產(chǎn)物，所有的成員都具有一個以6元雜環(huán)為核心、由多個5元雜環(huán)和脫水氨基酸所組成的環(huán)肽結(jié)構(gòu)。大多數(shù)硫肽類抗生素具有良好的抗菌活性，其中部分成員對多種耐藥性的條件致病菌具有極強的殺傷效果。在前期工作中，上海有機所的研究人員揭示了硫肽生源途徑的共同特點，即以一條核糖體來源的前體肽為底物、經(jīng)過保守的翻譯后修飾而形成特征性的框架結(jié)構(gòu)（Chem. Biol. 2009, 16, 141; ACS Chem. Biol. 2009, 4, 855; Mol. BioSyst. 2010, 6, 1180）。這一發(fā)現(xiàn)引起了廣泛的關(guān)注和興趣（亮點評述：SciBX 2009, 2(10), DOI: 10.1038/scibx.2009.423; Angew. Chem. Ind. Ed. 2009, 48, 6770; Nat. Prod. Rep. 2010, 27, 153）。
在生物合成的共性化研究基礎(chǔ)上，上海有機所的研究人員分別以代表性成員Nosiheptide（NOS）和Thiostrepton（TSR）為對象、開展了針對硫肽類抗生素結(jié)構(gòu)多樣性的個性化探索。研究發(fā)現(xiàn)，NOC和TSR都具有一個相同的C-末端酰胺結(jié)構(gòu)單元，但是在形成機制方面卻完全不同（見下圖）。NOC的生物合成途徑中存在一個新型蛋白NosA，其功能的發(fā)揮有賴于末端絲氨酸在早期的翻譯后修飾過程中脫水形成烯胺，異構(gòu)成亞胺后在水分子的進攻下通過“內(nèi)源性”的C-N鍵斷裂形成了末端酰胺（J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16324）。而在TSR的生物合成途徑中，末端酰胺的形成則是“外源性”的，即在羧酸酯酶TsrB的作用下將末端為甲酯的中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為羧酸產(chǎn)物；后者在酰胺轉(zhuǎn)移酶TsrC的催化下生成TSR，其過程包括以谷氨酰胺為底物原位生成氨，后者進攻由ATP活化的羧基基團而產(chǎn)生酰胺并伴隨谷氨酸、AMP和PPi的釋放（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 2852）。這一有趣的現(xiàn)象反映了不同策略構(gòu)筑相同結(jié)構(gòu)單元的“趨同性”。
對于絕大多數(shù)多環(huán)的硫肽類抗生素而言，其側(cè)環(huán)的形成獨立于前體肽；然而卻均包含了來源于L-色氨酸的結(jié)構(gòu)迥異的功能單元，比如Tsr的喹哪啶酸單元和NOS的吲哚酸單元，體現(xiàn)了鮮明的“趨異性”特色。其中，吲哚酸的合成化學上需要多步復雜反應以實現(xiàn)L-色氨酸側(cè)碳鏈的重排，包括C2-N單元的去除和羧基在吲哚環(huán)上的遷移。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依賴的新型酶蛋白NosL，以自由基介導的方式獨立負責了3-甲基-2-吲哚酸（MIA）的合成，這一復雜的轉(zhuǎn)化包含了不同尋常的“片段化重組（Fragmentation-Recombination）”過程。在體內(nèi)和體外研究相結(jié)合的實驗基礎(chǔ)上，研究人員對NosL蛋白及其催化的反應進行了包括各種譜學手段在內(nèi)的鑒定和表征，確定了相應的底物、產(chǎn)物（包括部分副產(chǎn)物和中間產(chǎn)物）和輔助因子，分析了C2-C3鍵斷裂的模式，并推導了NosL的酶學機制（見下圖）。這一研究結(jié)果以全文的方式發(fā)表于《自然-化學生物學》雜志（Nat. Chem. Biol. 2011, 7, 154）。
SAM-依賴的自由基蛋白超家族目前包含了數(shù)千個成員，參與了動物、植物和微生物體內(nèi)大量的重要生物化學過程。這些蛋白以SAM為底物、并采用共同的機制產(chǎn)生一種強氧化劑——自由基Ado？，從而起始了高度多樣性的反應參與各種生物轉(zhuǎn)化，比如DNA的修復和維生素、輔助因子及抗生素的生物合成。但是，大多數(shù)反應的生物化學機理至今尚不清楚，主要原因在于相關(guān)酶蛋白的功能和自由基介導的生物轉(zhuǎn)化沒有被闡明。3-甲基-2-吲哚酸合成酶NosL的發(fā)現(xiàn)，在理解SAM-依賴的自由基蛋白所催化的復雜結(jié)構(gòu)重排反應方面邁出了重要的一步。美國賓夕法尼亞州立大學的生物化學家S. J. Booker教授在同期發(fā)表的《自然-化學生物學》雜志上，對該發(fā)現(xiàn)的意義進行了專文評述（Nat. Chem. Biol. 2011, 7, 133）。
以自由基介導方式合成MTA的過程
此外，研究人員還對NosL的底物容忍性進行了測試，發(fā)現(xiàn)5-或6-位氟取代的L-色氨酸類似物均能被NosL所轉(zhuǎn)化，生成相應的氟代3-甲基-2-吲哚酸。為檢驗后者能否作為功能單元用于硫肽的合成，研究人員將5-氟-色氨酸添加至NOS產(chǎn)生菌的發(fā)酵液中，結(jié)果成功地獲得了類似物5'-fluro-NOS，其抗菌活性比母化合物高出一倍。迄今為止，硫肽類抗生素家族的天然成員已超過80個，尚未有一例含鹵素的成員被發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)為運用組合生物合成技術(shù)進一步拓展硫肽類抗生素的結(jié)構(gòu)多樣性、發(fā)現(xiàn)更具價值的抗感染藥物提供了一些依據(jù)。
關(guān)于硫肽類抗生素的生物合成研究獲得了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和上海市科委的資助。
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