上交大蒋明课题组：II型聚酮化合物生物合成中一个短链脱氢酶家族蛋白的环化功能

II型聚酮化合物是小分子临床药物的重要来源，如化疗药物阿霉素和光神霉素、临床抗生素四环素等，但其中大多数化合物的生物合成过程及蕴含的生物化学机制，尤其是它们的碳骨架生物合成机制并不清晰。其中，II型聚酮化合物的成环方式对它们的结构多样性和生物活性至关重要，探究它们的环化机制对发现新颖的酶催化反应具有重要意义。此外，SDR家族蛋白是最大、最多样化的NAD(P)依赖酶超家族之一，已知的SDR家族蛋白超过47,000个。但据已有报道而知，目前并没有关于SDR家族蛋白作为环化酶案例的报道。

近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室邓子新院士（点击查看介绍）团队在Angewandte Chemie 上发表了村山醌（Murayaquinone）生物合成研究的最新成果。该团队利用体内遗传学、生物信息学、蛋白定点突变以及分子模拟等方法，较为深入的研究了村山醌（Murayaquinone）的生物合成过程中短链脱氢酶超家族（SDR）蛋白MrqM的功能。

图1. 村山醌的生物合成基因簇及其推测的合成途径

前期研究中，村山醌生物合成基因簇包含三个典型的短链脱氢酶（MrqF、MrqH和MrqM），但是在推测的村山醌生物合成过程中，只需要其中的两个酶MrqF和MrqH发挥作用，而第三个短链脱氢酶MrqM似乎是冗余的。敲除mrqM基因的突变株主要积累代谢产物（SEK43）。从结构上看SEK43只是完成了村山醌合成中第一个环的环化与芳香化，而没有形成第二个环，这暗示MrqM与村山醌第二个环的环化酶切相关。

图2. 聚酮化合物中典型的SDR家族蛋白的生信分析

接着在生物信息学和蛋白分子模拟对接的指导下对MrqM进行定点突变，从而验证了Y151和K155是MrqM及其同源蛋白发挥环化功能必须的关键残基，并推测了具体的环化机制。其次，通过化学合成同源基因rslO3和msnO1，揭示不同种属中存在mrqM相似的功能基因，表明了 MrqM在聚酮化合物合成过程中发挥环化功能的广泛性与重要性。此外，作者通过体内遗传学还验证了C-9酮基还原酶MrqF和芳香化酶MrqE的功能，并发现原先推测的负责村山醌中第二和三环环化的MrqD的功能是催化生物合成过程中聚酮链的释放。

此项工作探究的SDR超家族蛋白MrqM，在村山醌生物合成过程中作为一个环化酶，负责村山醌第二个环的环化。这不仅拓宽了SDR超家族蛋白的功能，也为今后聚酮类化合物的环化与工程化改造提供了理论指导并奠定了坚实基础。

图3. 聚酮化合物底物在MrqM 结合口袋中的对接模拟示意图

这一成果近期发表在权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上，文章的第一作者是上海交通大学生命科学技术学院的博士研究生高耀杰，蒋明副研究员为通讯作者。该研究工作获得了国家重点研发计划（2018YFA0900402）、国家自然科学基金（31870026、21661140002）的资助。

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）：

Unexpected Role of a Short-Chain Dehydrogenase/Reductase Family Protein in Type II Polyketide Biosynthesis

Yaojie Gao, Yuchun Zhao, Jie Zhou, Maohua Yang, Lin Lin, Wenning Wang, Meifeng Tao, Zixin Deng, Ming Jiang

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110445

导师介绍

邓子新

https://www.x-mol.com/university/faculty/71465