学校在真菌咪唑碳修饰的异戊烯基转移酶研究领域取得重要进展

本站讯 近日，中国海洋大学医药学院、海洋药物教育部重点实验室李德海教授团队和海洋生命学院、海洋生物多样性与进化教育部重点实验室张玉忠教授团队合作，在国际期刊Nature Communications发表题为“Characterization and structural analysis of a versatile aromatic prenyltransferase for imidazole-containing diketopiperazines”（一种含咪唑基团二酮哌嗪多功能芳香异戊烯基转移酶的表征和结构分析）的最新研究进展。DMATS（dimethylallyl tryptophan synthase）家族的异戊烯基转移酶（prenyltransferases，PTs）在底物识别方面具有强大的底物混杂性。常见的底物包括色氨酸（及含吲哚的二酮哌嗪）、酪氨酸和其他多种芳香类化合物（如黄酮类、羟基萘、氧杂蒽酮、二苯甲酮等）。然而，咪唑作为具有重要药理学功能的芳香杂环，目前虽已报道了多个含咪唑异戊二烯化片段的二酮哌嗪（diketopiperazines，DKPs）类活性化合物，但催化DKPs中咪唑环进行异戊二烯化的酶和催化选择性机制尚不清楚。研究人员在对一株海洋来源真菌Penicillium solitum HDN11-131中的沉默基因激活过程中，获得了具有咪唑-C5-反式二甲基烯丙基化的DKP化合物aurantiamine（图1）。为深入研究咪唑基异戊烯基化过程，首先在P.solitum HDN11-131中鉴定了aurantiamine (1)的生物合成基因簇aura，该基因簇含有编码DMATS家族PT（AuraA）、MFS转运蛋白（AuraB）、双模块NRPS（AuraC）和P450单加氧酶（AuraD）的相关基因。利用Aspergillus nidulans进行系统的异源表达，阐明了aurantiamine (1)的生物合成途径，并在含有auraA和auraC基因的异源株AN-auraAC中发现了AuraA催化咪唑-C2-顺式异戊烯基修饰的新取代模式产物dihydroveridamine (4)。体外酶学实验确认了AuraA既能催化咪唑的脱氢环二肽cyclo-(L-Val-DH-His)生成咪唑-C5-反式异戊烯基化产物1，也能催化环二肽cyclo-(L-Val-L-His)生成咪唑-C2-顺式异戊烯基化产物4（图1）。图1 基因簇aura的表征鉴于AuraA能基于单键/双键不同的相似底物催化位置（2位和5位）和模式（顺式和反式）不同的异戊烯基化反应，研究人员应用冷冻电镜技术，解析了AuraA及其2个三元复合物的结构（AuraA-DMSPP-2和AuraA-DMSPP-3），并系统分析了催化口袋内残基的构象变化及底物结合模式（图2），揭示了异戊烯基供体与受体相对位置及距离对不同催化模式和产物的影响，阐明了AuraA催化咪唑基异戊烯基化的结构基础及催化选择性分子机制。在此基础上，研究人员对该酶进行工程化改造，结果表明几乎所有突变体都发生了产物多样性的改变，尤其是位于酪氨酸屏蔽区的AuraA-Y207A突变体能高效率催化cyclo-(L-Val-DH-His)产生C2位顺式异戊烯基化产物viridamine (5)，表明了该酶具有广阔的可系统改造前景。本研究为咪唑小分子药物烷基化修饰提供了新的可用酶工具，同时为DMATS家族酶的识别催化机制和工程化改造奠定了重要的结构基础。图2 AuraA及其三元复合物的结构中国海洋大学为第一完成单位和第一通讯作者单位，李德海教授和张玉忠教授为共同通讯作者，医药学院博士后王文雪、海洋生命学院王鹏副教授、医药学院博士后马传腾、海洋生命学院李康副教授为并列第一作者。该研究得到国家自然科学基金、青岛海洋科技中心科技创新项目、山东省泰山学者项目、山东省自然科学基金重大基础研究等项目的资助。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55537-8

标签：产物  基因  戊烯