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武漢大學孫宇輝/張鄭宇團隊揭示抗MRSA活性天然產物生物合成機制

2020-09-14

  抗生素的發現是人類抵抗疾病漫長過程中的關鍵轉折點,但隨著在臨床上的大量使用,抗生素耐藥性已經成為藥物研發的重要掣肘。金黃色葡萄球菌是臨床上引起感染的常見病原菌。然而,耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)等耐藥菌的出現,使得對這一病原菌感染的治療變得尤為棘手。因此,發現和創新該類抗耐藥菌藥物成為了人們的迫切愿望。 

  202099日,武漢大學藥學院孫宇輝教授和張鄭宇特聘研究員課題組在Nature Communications在線發表了題為Uncovering the cytochrome P450-catalyzed methylenedioxy bridge formation in streptovaricins biosynthesis的研究論文,報道了關于活性天然產物曲張鏈絲菌素(Streptovaricins)中亞甲基雙氧橋結構生物合成機制的合作研究進展[1]。孫宇輝教授和張鄭宇特聘研究員為本文共同通訊作者。此研究得到國家重點研發計劃、中國科學技術協會青年精英科學家資助計劃、微生物代謝國家重點實驗室開放課題的大力支持。 

  在前期針對抗MRSA活性天然產物的大量研究中,從武漢大學校園土壤中分離到的一株鏈霉菌(Streptomyces spectabilis CCTCC M2017417)中發現了一類具有抗MRSA活性的萘安莎類抗生素,經鑒定為曲張鏈絲菌素,它在結構上與著名的治療肺結核明星藥物利福霉素同屬一個家族。通過微生物分子遺傳學、生物化學等方法,對曲張鏈絲菌素生物合成中參與活性結構的多個細胞色素P450酶編碼基因進行了全面探索,并對定向遺傳改造獲得的曲張鏈絲菌素系列新結構衍生物的抗MRSA活性進行了表征。相關的研究成果已發表于《美國化學會?化學生物學》(ACS Chemical Biology, 2017, 12: 2589-2597[2]。在此基礎上,近期結合結構生物學手段,對曲張鏈絲菌素中獨特且與抗MRSA活性密切偶聯的亞甲基雙氧橋結構的生物合成機制進行了深入的揭示。 

  首先,根據生物信息學分析及前期實驗結果,推測該菌細胞色素P450StvP2有可能是負責曲張鏈絲菌素結構中亞甲基雙氧橋結構形成的關鍵酶。從其突變株中分離獲得的關鍵中間體及相應的體外酶學催化充分地證實了這一推測。隨后,通過多重遺傳敲除所構建的突變株中系列中間體的分離和鑒定,對該酶催化特性進行了探究,表征出它所催化的亞甲基雙氧橋合成反應的非典型底物抑制動力學特征。 

  為了從本質上解析StvP2催化亞甲基雙氧橋結構的形成機制,利用X-ray晶體衍射分別解析了該酶在無底物和有底物結合時的蛋白晶體結構,揭示了其中獨特的催化三聯體所負責的“酮式-烯醇式”互變異構,并通過單加氧反應及后續的成環過程,最終形成具有亞甲基雙氧橋結構的終產物,該催化機制進一步被關鍵氨基酸殘基系列點突變及生化證據所證實。 

  為完整闡釋亞甲基雙氧橋形成的生物合成途徑,巧妙地借用了菠菜來源的電子傳遞和還原系統,在體外成功地重建了由甲基化酶StvM1、?;?/span>StvA2和氧化酶StvP2共同參與的亞甲基雙氧橋結構形成過程。這一研究進展向我們展示了曲張鏈絲菌素及其該類化合物生物合成過程中的核心步驟,深入解析了亞甲基雙氧橋形成的酶學機制,為后續曲張鏈絲菌素類化合物的理性結構改造及其抗MRSA活性藥物的研發提供了精準的“導航圖”。 

  

   (來源:中國生物技術網) 

  參考文獻: 

  [1] Guo Sun, Chaoqun Hu, Qing Mei, Minghe Luo, Xu Chen, Zhengyuan Li, Yuanzhen Liu, Zixin Deng, Zhengyu Zhang* and Yuhui Sun*, Uncovering the cytochrome P450-catalyzed methylenedioxy bridge formation in streptovaricins biosynthesis. Nature Communications 2020, 11: 4501. 

  [2] Yuanzhen Liu, Xu Chen, Zhengyuan Li, Wei Xu, Weixin Tao, Jie Wu, Jian Yang, Zixin Deng and Yuhui Sun*, Functional analysis of cytochrome P450s involved in streptovaricin biosynthesis and generation of anti-MRSA analogues. ACS Chemical Biology 2017, 12: 2589-2597. 

  鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/zTA-sAY7fdLsv74-hsh0fA 

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