近日，Science期刊编辑Michael Funk博士在本周上线的“In other Journals”栏目发表了题为“Radically Expanding the Family”的评论文章，介绍了上海交通大学生命科学技术学院张雁教授课题组发现的新糖酵解通路。“Radically”意为根本、十分重大（in a thorough and fundamental way）。Funk博士用这个词一语双关，除强调了工作的重要性外，还点明了张雁课题组所发现新糖酵解途径依赖含有自由基（radical）的酶，该酶利用自由基化学进行催化反应。近年来，张雁课题组多次拓展了甘氨酸自由基酶（GRE）家族（expanding family），发现一系列（10个）GREs，均参与厌氧菌初级代谢，揭示了微生物的多样性。此前普遍认为生命对基础物质糖、氨基酸和核酸的代谢几十年前就已被生化学家充分阐明，因此这些发现引起了广泛关注。自由基酶相关的这项关于缩水糖酵解(anhydroglycolysis)的最新研究成果以“A Widespread Radical-Mediated Glycolysis Pathway”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。
GRE酶YbiW和PflD存在于模式生物大肠杆菌中，其催化底物和生理功能长期未明。基于生物信息学、结构生物学，张雁课题组提出了YbiW和PflD分别催化1,5-缩水葡糖醇-6-磷酸（AG6P）和1,5-缩水甘露醇-6-磷酸（AM6P）这一对差向异构体的C-O键断裂开环反应，均产生1-脱氧-果糖-6-磷酸（DF6P）的假说。根据相邻基因信息，课题组还提出了通路的下游反应：DF6P被醛缩酶FsaA或FsaB裂解，形成3-磷酸-甘油醛（G3P）和羟基丙酮（HA），后者被此前错误命名的“甘油脱氢酶”GldA还原成1,2-丙二醇（1,2-PDO）。通过重组蛋白辅基重构、酶活实验、液相质谱及气相色谱分析，课题组验证了这一缩水糖酵解途径（Anhydroglycolysis Pathway）（见图1）。
图1
在确定了酶反应后，张雁课题组进一步解析了酶与底物复合物的晶体结构（见图2），并提出了自由基介导1,2位消除的C-O键裂解机制；结合厌氧生长实验、基因敲除和蛋白质谱分析等手段，验证了YbiW和PflD在大肠杆菌中参与的完整代谢通路和生理意义（见图3）；通过对细菌GRE超家族的生物信息学研究，揭示了缩水糖酵解途径在细菌中广泛分布的特点。
图2
图3
基于上述发现，张雁课题组通过生物工程裂解淀粉生成AG或AM，结合大肠杆菌的发酵，成功地将可溶性淀粉高效转化为1,2-PDO（见图4）。这一人工代谢通路为大宗工业品1,2-PDO的工业级生产提供了全新的策略，具有重要的应用前景。
图4
该研究还认为肠道微生物对AG的降解，可能对人类健康具有重要影响：AG在健康人群血液中维持稳态，而糖尿病患者肾小管对AG的重吸收受到葡萄糖的竞争性抑制，血液中AG浓度降低数百倍。因此，AG是美国和日本临床血糖检测重要指标。已有研究表明，AG抑制新冠病毒进入人细胞，糖尿病患者因AG缺乏，易在感染新冠后发展为重症或死亡。此外，AG6P抑制糖酵解限速酶己糖激酶，是中性粒细胞减少症的病理基础。
