云南民族大学汪伟光组合作ACS Catalysis|结构生物学和量子计算诠释真菌聚酮生物合成中非典型芳构化过程

学术   2024-07-04 17:48   日本  

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遇见/摘要

202473日,云南民族大学汪伟光课题组与香港城市大学Yudai Matsuda课题组、南方科技大学钟龙华课题组合作,于ACS Catalysis上发表了有关烷基化水杨醛形成的最新研究成果。论文题目为“Structural and Computational Insights into the Noncanonical Aromatization in Fungal Polyketide Biosynthesis”。聚酮合酶(PKS)广泛存在于细菌、真菌、植物、动物、人类等生命体中,对于机体生存具有重要意义。烷基化水杨醛是一类由高度还原聚酮合酶产生的抗病毒、抗菌等分子,几乎存在于所有真菌中。前期课题组研究发现,在聚酮合酶缺少C端还原性结构域R的情况下,聚酮骨架链是由其KR结构域进行还原性释放,随后由SDR以及cupin蛋白的参与下形成烷基化水杨醛,但其具体的形成过程和催化机理一直不明。本研究,系统性地阐明了此类药源分子的生物合成的关键途径,尤其是诠释了链状聚酮产物是如何通过非酶催化和酶催化的作用下形成芳香环,继而形成具有重要生理功能的产物。 


02


遇见/内容

芳香聚酮类化合物具有多种结构和生物活性,引起了科学界的极大兴趣。芳构化反应通常由细菌II型聚酮合酶中相关的芳化酶(ARO)和环化酶(CYC)或真菌I型非还原型聚酮合酶中的结构域(PT)和克莱森环化酶结构域(CLC)完成。有趣的是,我们最近的研究发现,在真菌烷基化水杨醛衍生物的芳环形成过程中,一种含cupin结构域的蛋白StrC主导了该类非典型的芳构化机制。然而,StrC的催化功能和机理在很大程度上悬而未决(Figure 2A)。



Figure 2. (A) salicylaldehyde C的生物合成路径


为了更好地探究烷基化水杨醛在芳环形成过程中的催化机理,研究团队对StrC进行了深入的体外表征,并获得了StrC与底物6复合物的晶体结构(Figure 3C),以阐明其独特的活性位点。


Figure 3. (C) StrC与底物6复合物的晶体结构;(D) 6StrC活性位点残基的关键相互作用


随后,基于StrC及其同源蛋白保守序列分析,综合分子动力学模拟的预测结果,确定了StrC的催化过程中的潜在的活性氨基酸残基,依次为Arg104His117Asp123His157Gln152Trp159。最后,通过深入的体外突变实验和相对产量分析,我们发现R104AW159A突变体几乎完全阻碍了底物芳构化的形成,而其他4个单突变时对StrC活性没有显著影响,只有存在H117A突变时(即H117A/D123AH117A/Q152AH117A/H157A)活性显著降低。相反,其他3种突变体(D123A/Q152AD123A/H157A  Q152A/H157A),保留了一定的活性。有趣的是,与野生型酶相比,D123A/Q152A/H157A 突变体仍然保持活性并产生约15 %的产物。总体而言,His117Asp123Gln152存在一种协同作用来完成底物的芳构化,而这其中His117是主要的贡献者(Figure 3E)。


Figure 3. (E) 产物5的相对产量(Control:不含StrC或其突变体的反应;WT:含野生型 StrC的反应


此外,化学计算的研究为StrC介导的底物芳构化提供了一个合理的反应机制(Figure 5),并突出了StrC在生物合成过程中的重要作用。本论文还发现了一个非常有趣的点,在于细菌中cupin蛋白多参与芳香聚酮的芳构化过程,而此次系首次发现真菌cupin蛋白也有类似功能。尽管真菌与细菌cupin蛋白在氨基酸维度上的相似性非常小却仍然具有类似的保守催化位点,同时两种生物中的cupin蛋白在三级结构上极其相似,暗示了不同生物聚酮合酶可能在进化角度具有相关性(Figure S25S29)。综上所述,我们的研究揭示了真菌聚酮生物合成过程中芳构化形成的一类未知模式,为探究芳香类聚酮化合物的生物合成提供了重要的思路和视角。


Figure 5. 使用CPCM DLPNO−CCSD(T)/ma-def2-TZVP(-f)//SMD M06-2X/6-31G*(红色)和 SMD M06-2X/6-311+G**// SMD M06-2X/6-31G*(蓝色)方法计算的 StrC 介导关键中间体 4的关键催化芳构化步骤的相对电子能量(以 kcal/mol 为单位)。


Figure S25Cupin蛋白的系统发育分析(UniPort数据库)


Figure S29. StrCPDB数据库中结构相似的蛋白质的三级结构比对


云南民族大学国家民委民族药内生菌天然产物合成生物学重点实验室访问学者王航博士、云南民族大学研究生彭超、南方科技大学研究生陈晓璇为共同第一作者;钟龙华教授、Yudai Matsuda教授和汪伟光研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目(22377105)、云南省应用基础杰青项目(202401AV070003)、云南民族大学高层次人才培育项目的资助。汪伟光课题组近年来一直聚焦真菌聚酮产物的非典型释放机制研究并报道了多项原创成果(Angew Chem Int Ed 2024, 63, e202402663J Am Chem Soc 2023, 145, 11293J Am Chem Soc 2020, 142, 8464)。

原文链接:

https://doi.org/10.1021/acscatal.4c01043

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遇见/致谢

感谢汪伟光教授课题组对本号的支持,感谢文章作者彭超提供本文稿件支持!

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