灣區(qū)時(shí)訊 近日,，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所張長(zhǎng)生研究員團(tuán)隊(duì)和廈門大學(xué)王斌舉教授團(tuán)隊(duì)合作在氮雜蒽醌類海洋多環(huán)天然產(chǎn)物Deoxynybomycin（DNM）和Nybomycin（NM）生物合成與酶反應(yīng)機(jī)制研究方面取得新進(jìn)展,，相關(guān)成果 “Deciphering Deoxynybomycin Biosynthesis Reveals Fe(II)/α-Ketoglutarate Dependent DioxygenaseCatalyzed Oxazoline Ring Formation and Decomposition”在線發(fā)表于Journal of the American Chemical Society (《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》)。博士后劉凱,、張錦巖（廈門大學(xué)）,，博士張光濤為共同第一作者，張長(zhǎng)生,、王斌舉與張光濤為共同通訊作者,。

惡唑啉是天然藥物中的重要活性基團(tuán)，在有機(jī)合成小分子活性化物結(jié)構(gòu)衍生和修飾中有著廣泛應(yīng)用,。2-惡唑啉環(huán)是自然界中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式,，其在非核糖體肽、核糖體肽和苯并惡唑類天然產(chǎn)物中的生物合成途徑已經(jīng)闡明,?？股谼NM和NM是自然界中罕見(jiàn)的含有4-惡唑啉基團(tuán)的氮雜蒽醌類化合物。DNM具有顯著抗革蘭氏陽(yáng)性菌活性,，也是開(kāi)發(fā)抗革蘭氏陰性菌的藥物先導(dǎo)化合物,，其作用機(jī)制是與DNA Ⅱ型拓?fù)洚悩?gòu)酶靶向結(jié)合，阻礙細(xì)菌DNA合成而發(fā)揮抗菌作用,。DNM中的4-惡唑啉環(huán)是關(guān)鍵藥效團(tuán),，但其生物合成機(jī)制一直是未解之謎，限制了對(duì)這類活性氮雜蒽醌天然產(chǎn)物的深度挖掘和開(kāi)發(fā)利用,。

研究團(tuán)隊(duì)早期從南海深海沉積物來(lái)源的假諾卡氏菌（Pseudonocardia antitumoralis SCSIO 01299,，張偲院士和田新朋研究員提供）分離發(fā)現(xiàn)了氮雜蒽醌類多環(huán)天然產(chǎn)物脫氧苯醌（Deoxynyboquinone,，DNQ）（Mar Drugs, 2011,9:1428-1439）,。近期，與澳門大學(xué)副教授余華合作揭示了DNQ的抗炎活性靶點(diǎn)與作用機(jī)理,，發(fā)現(xiàn)DNQ可靶向烷基化修飾信號(hào)通路(Keap1-Nrf2-ARE)中Keap1上的關(guān)鍵位點(diǎn)Cys489,，促使Keap1泛素化，并釋放Nrf2進(jìn)入細(xì)胞核激活下游抗炎效應(yīng)因子的表達(dá),，從而發(fā)揮顯著的抗炎活性（J. Pharm. Anal. 2023, doi:10.1016/j.jpha.2023.07.009）,。

DNM與DNQ擁有相似的三環(huán)氮雜蒽醌線性骨架結(jié)構(gòu),，可能具有相同的生源途徑。本研究基于生物信息學(xué)分析定位了菌株SCSIO 01299和Embleya hyaline NBRC 13850（DNM產(chǎn)生菌）基因組中DNQ（dnq）和DNM（dnm）的生物合成基因簇（圖1）,，進(jìn)一步通過(guò)體內(nèi)遺傳與體外生化實(shí)驗(yàn),，發(fā)現(xiàn)了二者生物合成途徑中的共同中間體5（圖2），闡明了甲基轉(zhuǎn)移酶DnmS負(fù)責(zé)DNQ和DNM氮甲基化后修飾,，兩個(gè)同源的Fe(II)/α-KG依賴型雙加氧酶DnmT和DnmU分別負(fù)責(zé)DNM中4-惡唑啉環(huán)的形成和C-12位的羥基化（圖2）,。

在進(jìn)行體外酶反應(yīng)研究時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)DnmT既能催化惡唑啉環(huán)的形成產(chǎn)生DNM,，也能催化DNM中惡唑啉環(huán)的開(kāi)環(huán)和脫N-甲基,，最終形成中間體5，從而逆轉(zhuǎn)DNM的生物合成,。為闡釋DnmT催化惡唑啉成環(huán)與開(kāi)環(huán)的酶學(xué)基礎(chǔ),，研究團(tuán)隊(duì)基于酶蛋白建模、點(diǎn)突變以及分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬和量子力學(xué)/分子力學(xué)（QM/MM）多尺度計(jì)算化學(xué)等方法詳細(xì)解析了DnmT催化成環(huán),、開(kāi)環(huán)和脫甲基反應(yīng)的新穎酶學(xué)機(jī)制,，同時(shí)通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)捕捉到反應(yīng)中間體14，進(jìn)一步佐證了該反應(yīng)機(jī)理的合理性（圖2）,。

此外,，研究團(tuán)隊(duì)還初步探索了DnmT催化多種反應(yīng)的生物學(xué)意義。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),，在野生菌株中,，絕大部分DNM被分泌至胞外，而胞內(nèi)含量較少,；活性評(píng)估顯示,，DNM對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑菌活性顯著強(qiáng)于NM及其它中間體和副產(chǎn)物。由此,，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè),，DnmT催化惡唑啉成環(huán)產(chǎn)生DNM并釋放到環(huán)境中，殺死自己的競(jìng)爭(zhēng)者,，提升自身的生存能力,；而催化惡唑啉開(kāi)環(huán)和脫甲基可能是為了控制胞內(nèi)DNM的濃度，減少對(duì)細(xì)菌自身的毒性,，這一假設(shè)有待進(jìn)一步的深入研究證實(shí),。

綜上所述，本研究解析了抗生素DNM中罕見(jiàn)4-惡唑啉藥效團(tuán)的合成途徑,，并利用酶學(xué)和計(jì)算化學(xué)等方法揭示了新穎多功能Fe(II)/α-KG依賴型雙加氧酶DnmT催化惡唑啉成環(huán),、開(kāi)環(huán)和脫甲基化的酶學(xué)機(jī)制，為Fe(II)/α-KG依賴型雙加氧酶在天然產(chǎn)物生物合成中的功能多樣性以及其可能的生物學(xué)意義提供了新見(jiàn)解，同時(shí)也為活性氮雜蒽醌類天然產(chǎn)物的基因組挖掘提供了重要科學(xué)依據(jù),。

上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展（海洋六大產(chǎn)業(yè)）專項(xiàng)資金、海南省重大科技計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院王寬誠(chéng)率先人才計(jì)劃“盧嘉錫國(guó)際團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”等的資助,。

相關(guān)論文信息：

1,、Kai Liu#, Jinyan Zhang#, Guangtao Zhang#,*, Liping Zhang, Zhen Meng, Liang Ma, Wenjun Zhang, Weiliang Xiong, Yiguang Zhu, Binju Wang*, Changsheng Zhang*. Deciphering deoxynybomycin biosynthesis reveals Fe(II)/α-ketoglutarate-dependent dioxygenase-catalyzed oxazoline ring formation and decomposition. J. Am. Chem. Soc. 2023. https://doi.org/10.1021/jacs.3c11772

2、Ke-Gang Linghu, Tian Zhang, Guangtao Zhang, Peng Lv, Wenjun Zhang, Guanding Zhao, Shihang Xiong, Qiushuo Ma, Mingming Zhao, Meiwan Chen, Yuanjia Hu, Changsheng Zhang*, Hua Yu*. Small molecule deoxynyboquinone triggers alkylation and ubiquitination of Keap1 at Cys489 on Kelch domain for Nrf2 activation and inflammatory therapy. J. Pharm. Anal. 2023. doi: 10.1016/j.jpha.2023.07.009

通訊員/謝文燕 王沐眾 徐曉璐

責(zé)任編輯/劉秀