隨著基因組測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析技術(shù)的快速發(fā)展，天然產(chǎn)物的生物合成研究發(fā)展迅速，大量的生物合成基因簇被挖掘和報道。核糖體肽類天然產(chǎn)物由于其獨特的生物合成邏輯、新穎復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和多樣的生物、生理活性在天然產(chǎn)物中成為獨特的類群，其生物合成研究也引發(fā)了廣泛的關(guān)注。目前對其中獨特的生物合成酶類的挖掘、酶學(xué)機制的研究以及新功能化合物的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造是近年來關(guān)注的熱點。
上海有機所唐功利研究員課題組近期在海洋微生物Thermoactinomyces sp. YM3-251中產(chǎn)生的核糖體肽類天然產(chǎn)物Mechercharmycin A（MCM-A）的生物合成方面取得了新的進展。研究人員首先通過生物信息學(xué)分析、結(jié)構(gòu)比對等方式，猜測了該化合物可能是核糖體肽類天然產(chǎn)物，隨后研究人員根據(jù)其結(jié)構(gòu)信息，推測其潛在的核心肽序列為FIVSSSCS，并在原始產(chǎn)生菌中鎖定了一個潛在的生物合成基因簇mcm。由于原始菌株難以進行基因操作，研究人員嘗試將基因簇mcm在Bacillus subtilis 168中進行異源表達，在添加強啟動子pLaps后，成功在發(fā)酵產(chǎn)物中檢測到MCM-A，對mcm的所有基因進行基因敲除實驗，驗證了基因簇內(nèi)各基因與MCM-A生物合成的相關(guān)性；通過游離表達前體肽基因提高了MCM-A的產(chǎn)量，使其遠高于天然產(chǎn)量，滿足了研究需求。進一步利用該異源表達體系，研究人員通過組合生物合成策略成功地獲得了17和18兩個結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并且生物活性與MCM-A相似的化合物。
由于前體肽在枯草芽孢桿菌異源表達體系中快速降解，各個基因敲除突變株并未提供更多有效的中間體與修飾后前體肽的信息，研究人員通過在大腸桿菌中進行后修飾基因與前體肽基因共表達、分步重構(gòu)的策略，驗證了該天然產(chǎn)物的生物合成過程是由一個tRNAGlu依賴位點特異性的的脫水酶McmL引發(fā)的，隨后YcaO超家族蛋白McmD1、D2在McmB以及McmC的共同作用下，實現(xiàn)對發(fā)生脫水反應(yīng)的前體肽從N端到C端的連續(xù)的4個噻唑/噁唑結(jié)構(gòu)的合成。與其它核糖體肽的生物合成不同的是，MCM-A為首例后修飾順序中脫水先于雜環(huán)形成的核糖體肽。
結(jié)合基因敲除突變株發(fā)酵液中間體的檢測和大腸桿菌共表達、分步重構(gòu)的結(jié)果，研究者推測了MCM-A的生物合成途徑。本文不僅對MCM-A的生物合成途徑進行了奠基性的探索，并且也為通過組合生物合成以及基因組挖掘的方法產(chǎn)生或發(fā)現(xiàn)生物活性更好、含多個噻唑/噁唑結(jié)構(gòu)的核糖體環(huán)肽類化合物奠定了基礎(chǔ)。
圖 （A）mcm基因簇；（B）MCM-A生物合成起始的兩步轉(zhuǎn)化；（C）MCM-A與組合生物合成產(chǎn)物17/18的結(jié)構(gòu)及細胞毒活性
本工作近期發(fā)表在Cell Chemical Biology（Heterologous characterization of mechercharmycin A biosynthesis reveals alternative insights into posttranslational modifications for RiPPs. Cell Chem. Biol. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.08.005）。唐功利研究員為本文通訊作者，課題組已畢業(yè)博士裴增飛與楊敏杰為本文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委以及中國科學(xué)院的資助。
