解析青蒿素类过氧桥键的生物合成机制

来源：微生物所   发布者：亦云   日期：2015-11-03  

由中科院微生物所张立新研究员团队与美国刘平华和张燕教授团队合作，解析出青蒿素类过氧桥键的生物合成机制。研究结果在线发布于11月3日的《自然》（Nature）杂志。 自然界中含有过氧桥键的化合物具有多种生物活性，包括抗感染、抗肿瘤、以及抗心律失常，其中最具代表性的青蒿素已经作为抗疟疾药物（artemisinin-based combination therapies，ACTs)应用于临床接近40年。我国学者屠呦呦教授也因发现青蒿素（artemisinin)而共同获得2015年诺贝尔生理与医学奖。曾耗时12年，花费4000万美元的艰辛研究，美国加州大学伯克利分校的Jay Keasling教授最终于2013年4月10日联合Amyris公司在《自然》（Nature）杂志上在线发布了他们的成果：应用合成生物学技术成功地在转基因酵母中生产出青蒿素合成的前体青蒿酸，使利用酵母生产青蒿素取得突破性和革命性进展。青蒿素的生物活性与过氧键密不可分，但是催化青蒿酸形成青蒿素的环内过氧键合酶却一直没有找到，成为一道世界难题。 由中国科学院微生物研究所张立新研究员担任首席科学家的973项目《合成微生物体系的适配性研究》大胆猜测催化这类反应的环内过氧键合酶元件可能来源于黄花蒿共生的真菌中，试图从自主构建的海洋微生物天然产物库中发现这类含有过氧桥键的化合物及其相应的催化酶。通过与973海外团队成员美国波士顿大学刘平华教授课题组和德克萨斯大学奥斯汀分校张燕教授课题组密切合作，他们从几株曲霉和靑霉菌种中分离出具有抗感染等多种生物活性的含过氧桥键萜类吲哚生物碱真菌毒素Verruculogen。解析了该化合物中的过氧桥键是由一个依赖a-酮戊二酸的单核非血红素酶FtmOx1催化合成。上述研究结果在线发布于11月3日的《自然》（Nature）杂志。文章首次报道了FtmOx1的晶体结构，以及FtmOx1分别与a-酮戊二酸和底物fumitremorgen B的共晶体结构，并通过详尽的酶学实验结果验证了FtmOx1的功能。当a-酮戊二酸和两个氧原子结合到铁中心后，酪氨酸残基（Y224）屏蔽了催化中心，使其不能直接接触底物，而其他绝大多数的a-酮戊二酸的单核非血红素酶的活性中心都可以直接作用于底物，所以这也是FtmOx1催化的独特之处。当Y224突变为丙氨酸或苯丙氨酸后，FtmOx1催化主产物不再是过氧键化合物，这也进一步表明了Y224残基在环内过氧键催化中的重要性。此外，快速反应动力学和冷冻淬火电子自旋光谱实验结果证实了FtmOx1反应中存在自由基中间体。阐明这一特别的环内过氧桥键的生物合成新机制为发现催化青蒿酸形成青蒿素的环内过氧键合酶向前迈进了一大步。进一步研究其酶学机制，将为含有过氧桥键的萜类吲哚生物碱的广泛应用奠定科学和应用基础。张立新研究员、刘平华教授和张燕教授为共同通信作者。中国科学院微生物所宋福行副研究员等为共同作者。该研究得到了国家杰出青年基金和“973项目”的资助。 该“973项目”自2013年实施以来，团队成员坚持每个月开例会协同攻关，开放式鼓励其他课题组参加，优势互补，积极促进了“973项目”内外课题组的交叉融合。仅微生物所参加该“973项目”的谭华荣、杨克迁、陶勇、唐双焱、陈义华、娄春波和张立新课题组就在国际顶尖杂志上发表了20多篇有影响力的合作成果（以通讯作者发表的重要论文包括1篇Nature，1篇MMBR，2篇Angew Chem Int Ed.，2篇Nature Communications，3篇PNAS，1篇Trends Microbiol.，2篇Chem Biol.，2篇Metab Eng.，2篇Org Lett.，4篇Scientific Reports，2篇ACS Synth Biol., 2篇ACS Chem Biol.,3篇MM等）。

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