JACS | Alchivemycin A药效团生物合成相关的氧化还原代谢网络的研究

微生物在进化过程中为适应环境变化和生存竞争，往往会进化产生一些活性次级代谢产物作为化学防御物质，以便使自己获得更充足的生存空间。而微生物体内的氧化还原酶往往是这些活性天然产物的“加工者”，其介导的天然产物的化学修饰甚至骨架的重排，对其生物活性极为重要。另一方面，氧化还原后修饰极大地提高了天然产物结构的复杂性和多样性，为药物或药物前体筛选提供了更多的选择。因此，阐明天然产物合成过程中氧化还原酶所扮演的角色，对于其后续的成药性研究以及发展新型的生物催化工具具有重要的意义。

近期，南京大学戈惠明（点击查看介绍）和谭仁祥（点击查看介绍）课题组阐释了Alchivemycin A（AVM，1）生物过程中的氧化还原次级代谢网络，包括AVM关键药效团的形成及自抗性研究。

图1. Alchivemycin A的生物合成过程

Alchivemycin A（AVM，1）是从植物内生放线菌Streptomyces sp. TP-A0867中分离得到的复杂多环聚酮化合物，具有强大的抗菌活性。AVM具有罕见的2H-四氢-4,6-二氧代-1,2-恶嗪（TDO）环系统，以及包括两个环氧环在内的众多氧化后修饰。然而，至今AVM生物合成的氧化还原后修饰过程特别是独特恶嗪环的形成过程以及其抗菌机制仍尚未报到。

在这项研究中，作者阐明了一种涉及六种氧化还原酶催化AVM形成的氧化还原代谢网络。作者通过体内基因敲除，体外生化分析和一锅酶法合成来表征了这种复杂的氧化还原网络。突变株中得到的前体化合物2可以相对无序的经FAD依赖的单加氧酶AvmO1（TDO环形成），AvmO2（C14-C15位环氧化），AvmO3（C11-C12位环氧化），F₄₂₀依赖的氧化还原酶AvmR（C25位羰基还原），α-KG/Fe²⁺依赖的双加氧酶AvmO4（C22位羟基化）以及P450 AvmP（C24位羟基化）作用，通过12条不同的路径网络化生成AVM（图1，2，3）。

图2. S. sp. TPA0867野生型菌株及氧化还原酶编码基因突变株发酵HPLC图分析

更重要的是，作者发现并阐明了FAD依赖的单加氧酶AvmO1催化酰胺键上C-N间的插氧形成AVM中的TDO环，这与Bayer-Villiger单加氧酶（BVMOs）催化的反应十分相似，并且氧标记实验也证实AvmO1催化的反应过程可能与Bayer-Villiger氧化一致（图3）。但之前报道的BVMO未见有C-N间插氧的报道，这可能代表了黄素氧化酶一种前所未有的催化功能。

图3. AVM生物合成过程中功能酶的体外研究，A）AvmO4的体外酶催化分析，B）AvmO1、AvmO2、AvmO3、AvmP 和AvmR的体外酶催化分析，C）AvmO1与BVMOs的进化树分析，D）AvmO1催化反应的¹⁸O标记，E）AvmO1可能的催化机理，F）以2为底物一锅法合成1

在随后的活性测试中作者还发现，TDO环对于AVM的抗菌活性至关重要，在将编码负责RNA聚合酶β亚基合成的基因avmK导入AVM敏感菌株Streptomyces sp. 120454后发现，AVM对其生长不再产生影响（图4）。这表明AVM可以靶向性与RNA聚合酶的β亚基相互作用产生抗菌活性，而微生物自身通过靶标修饰赋予AVM自抗性。这反映了微生物一种有意思的进化过程，首先通过自身酶修饰产生含TDO环的抑菌化合物作为化学防御物质，抑制其他微生物生长以保证自身获得更充足的生存空间，然后将自身的RNA聚合酶β亚基（即抑菌分子的作用靶点）突变产生自抗性而不受影响。

图4. AVM及类似物的活性及自抗性研究，A，B）AVM及类似物对Micrococcus luteus 的作用效果; C，D，E）AVM对S. sp. 120454野生型及导入不同基因后菌株的作用效果。

综上，本论文在阐释AVM生物合成过程中独特的氧化还原次级代谢网络的同时，发现了一个前所未有的FAD依赖的单加氧酶催化酰胺键间的插氧，且其介导形成的TDO环被证实是AVM发挥抗菌作用的关键药效基团。同时定位到了AVM抗菌的作用靶点RNA聚合酶β亚基及其自抗性基因avmK。本文的发现扩展了黄素氧化酶的功能范围，并为基于AVM的抗菌化合物和生物催化剂开发提供了更多见解。

相关工作近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，南京大学博士研究生朱宏杰为文章第一作者，戈惠明教授和谭仁祥教授为文章共同通讯作者，南京大学医药生物技术国家重点实验室为第一单位。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Redox Modifications in the Biosynthesis of Alchivemycin A Enable the Formation of Its Key Pharmacophore

Hong Jie Zhu, Bo Zhang, Lan Wang, Wen Wang, Shuang He Liu, Yasuhiro Igarashi, Ghader Bashiri, Ren Xiang Tan*, and Hui Ming Ge*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 4751–4757, DOI: 10.1021/jacs.1c00516

导师介绍

戈惠明

https://www.x-mol.com/university/faculty/49835 

谭仁祥

https://www.x-mol.com/university/faculty/49836