海洋微生物氧雜蒽酮生物合成研究取得進展

中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室海洋微生物代謝工程與生物合成研究團隊在海洋微生物氧雜蒽酮生物合成機制研究中取得新進展。相關研究9月14日在線發表于《自然—通訊》。楊春芳副研究員和張麗萍副研究員為該論文共同第一作者，張長生研究員為通訊作者。

包含氧雜蒽酮骨架的天然產物具有抗炎、抗氧化、抑菌及抗腫瘤等多種活性。自四十多年前首次報道氧雜蒽酮類化合物以來，該類部分化合物已成為藥物研發的明星分子，如被FDA批準用于治療口腔潰瘍的藥物amlexanox、用于治療肺纖維化的先導藥物xantholipin以及廣譜的抗球蟲藥物simaomicin α。目前已發展了較多關于氧雜蒽酮類化合物的化學合成方法，但放線菌來源化合物的氧雜蒽酮骨架的生物合成過程和酶學機制仍不清楚。

在該項研究中，研究人員早期從海洋小單孢菌SCSIO N60中發現了Fluostatin C (7)，與kinamycin A (11)同屬苯并芴類非典型角環素。前期研究闡明fluostatin生物合成途徑中的黃素氧化酶FlsO2具有雙功能，能夠催化氧化和脫水反應，將8形成9。但奇怪的是基因缺失突變株?flsO2中仍可觀察到少量的化合物9，暗示基因簇中的其他氧化酶可能互補FlsO2的體內功能。kinamycins生物合成研究表明，單加氧酶AlpJ（FlsG同源蛋白）催化9的縮環反應形成苯并芴中間體12，黃素氧化酶AlpK可能負責12的C-5位羥化形成13。

在前期體內研究也發現AlpK的同源酶FlsO1具有類似的C-5位羥化功能，但因化合物12不穩定而無法獲得，從而限制了FlsO1的體外功能研究。然而有趣的是，團隊近期獲得了nenestatin A生物合成中間體nenestatin C (14)，其結構與12類似，可作為12的模擬底物進行FlsO1的體外功能研究。

基于上述科學問題，研究人員發現黃素氧化酶FlsO1能夠體外催化多元氧化反應。一方面確實可以催化前體8形成產物9，從而回補FlsO2的生理功能；另一方面還可以將8轉化為多個產物，包括氧雜蒽酮化合物16和17。此外，研究人員通過同位素標記、中間體或其衍生物的結構鑒定等實驗闡明了FlsO1通過催化三步級聯氧化反應（羥化、環氧化和Baeyer-Villiger氧化）形成氧雜蒽酮的反應機理；同時發現FlsO1還能夠催化完成14（模擬生理底物12）的C-5羥基化，間接證明了FlsO1的生理功能；通過FlsO1酶的晶體結構、關鍵中間體的docking分析和氨基酸殘基定點突變實驗揭示了FlsO1接受不同底物，催化多元氧化反應的結構基礎。