近日，上海交通大学生命科学技术学院张雁教授团队发现了在厌氧细菌中广泛存在的自由基介导的糖酵解新途径，成果以“A Widespread Radical-Mediated Glycolysis Pathway”为题，发表于国际知名期刊Journal of the American Chemical Society。
甘氨酸自由基酶（GRE）是一类细菌中普遍存在的厌氧自由基酶，该类酶在激活酶的协助下，可以在肽链末端生成甘氨酸自由基（Gly•），因此得名。在催化反应时，Gly•夺取GRE活性中心的半胱氨酸巯基上的氢原子形成活泼的硫自由基（Cys•），进而介导多种类型的高能自由基反应，广泛参与了厌氧细菌的基础物质与能量代谢过程。因此，GRE生化功能的阐明成为发现厌氧菌中心代谢新途径的重要突破口！
YbiW和PflD是未知功能GRE中物种分布最广泛的两个酶，为了阐明这两者的生化功能，研究团队综合利用基因组邻域信息分析、蛋白质催化中心特性分析、计算生物学技术等，推定了YbiW和PflD的底物分子，并通过酶活性及酶动力学的系列实验证实了YbiW和PflD分别催化1,5-缩水葡糖醇-6-磷酸和1,5-缩水甘露醇-6-磷酸的开环裂解，均生成产物1-脱氧果糖-6-磷酸，再经下游的醛缩酶裂解，形成3-磷酸甘油醛和羟基丙酮，NADH依赖的脱氢酶GldA则进一步将羟基丙酮还原为1,2-丙二醇（1,2-PDO），从而组建了两种自由基依赖的缩水糖酵解途径（Anhydroglycolysis Pathway）（图1）。
同时，研究者解析了YbiW和PflD与各自底物的复合物晶体结构（图2），并提出了YbiW和PflD以自由基介导的1,2-消除策略催化1,5-缩水糖醇衍生物开环裂解的反应机理。通过后续的菌株厌氧生长实验、途径基因敲除和蛋白质谱实验，证实了模式细菌大肠杆菌可以利用缩水糖酵解途径，以1,5-缩水葡糖醇（AG）或1,5-缩水甘露醇（AM）为唯一碳源进行厌氧生长，并代谢产生1,2-PDO（图3）。此外，通过进一步的生物信息学追踪分析，揭示了缩水糖酵解途径在细菌中的分布特点（图4）。
基于上述发现，研究者通过组建重组蛋白酶使淀粉裂解再还原，产生AG或AM并与大肠杆菌发酵联合的人工代谢通路，成功地把可溶性淀粉高效转化为1,2-PDO，为大宗工业品1,2-PDO的工业级生产提供了全新的思路，具有重要的应用前景。
此外，该论文还讨论了新糖酵解途径与人类健康的关系：AG在健康人群中维持稳态，主要来源于食物，部分由人体肝脏通过糖原裂解和还原产生，摄入过多的AG则经肾小管随尿液排出。糖尿病病人肾小管AG的重吸收受到葡萄糖的竞争性抑制，血液中AG含量极低。因此，AG成为美国、日本等国临床使用的血糖检测指标。此前报道AG可以显著抑制新冠病毒感染，糖尿病患者缺乏 AG 是其感染新冠后易发展危重症或死亡的重要因素。AG代谢产物 1,5-缩水葡糖醇-6-磷酸抑制己糖激酶则是中性粒细胞减少症的病理基础。因此AG代谢包括此次发现的肠道微生物对AG的降解代谢，可能对人类健康具有重要影响。
新加坡科技研究局（A*STAR）的Yifeng Wei博士为该论文的共同通讯作者。现上海交通大学生命科学技术学院院长张雁教授为该论文的通讯作者，该工作是其在原单位天津大学药学院带领团队成员与国际同行合作的成果，天津大学药学院博士研究生马凯亮为论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委杰出青年基金、国家重点研发计划、新基石研究员、新加坡总理公署国家研究基金会等项目的支持。
