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【合成生物学】氮杂蒽醌类抗生素DNM中恶唑啉药效团的生物合成与酶催化机理

时间：2023-12-24 来源： 浏览：

【合成生物学】氮杂蒽醌类抗生素DNM中恶唑啉药效团的生物合成与酶催化机理

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恶唑啉是天然药物中的重要活性基团，在有机合成小分子活性化物结构衍生和修饰中有着广泛应用。2-恶唑啉环是自然界中常见的结构形式，其在非核糖体肽、核糖体肽和苯并恶唑类天然产物中的生物合成途径已经阐明。氮杂蒽醌类抗生素Deoxynybomycin（DNM）和Nybomycin（NM）是自然界中罕见的含有4-恶唑啉基团的氮杂蒽醌类化合物。DNM具有显著抗革兰氏阳性菌活性，也是开发抗革兰氏阴性菌的药物先导化合物，其作用机制是与DNA Ⅱ型拓扑异构酶靶向结合，阻碍细菌DNA合成而发挥抗菌作用。DNM中的4-恶唑啉环是关键药效团，但其生物合成机制一直是未解之谜，限制了对这类活性氮杂蒽醌天然产物的深度挖掘和开发利用。
近日， 中国科学院南海海洋研究所张长生 研究员团队和 厦门大学王斌举 教授团队合作 解析了DNM和NM中关键药效团4-恶唑啉的生物合成途径与酶反应机理。 研究团队早期从南海深海沉积物来源的假诺卡氏菌（ Pseudonocardia antitumoralis SCSIO 01299）分离发现了氮杂蒽醌类多环天然产物脱氧苯醌（Deoxynyboquinone，DNQ），DNM与DNQ拥有相似的三环氮杂蒽醌线性骨架结构（图1），可能具有相同的生源途径。

图1. 氮杂蒽醌类天然产物与其生物合成基因簇
本研究基于生物信息学分析定位了菌株SCSIO 01299和 Embleya hyaline NBRC 13850（DNM产生菌）基因组中DNQ（ dnq ）和DNM（ dnm ）的生物合成基因簇（图1），进一步通过体内遗传与体外生化实验，发现了两者生物合成途径中的共同中间体 5 （图2），阐明了甲基转移酶DnmS负责DNQ和DNM氮甲基化后修饰，以及两个同源的Fe(II)/α-KG依赖型双加氧酶DnmT和DnmU分别负责DNM中4-恶唑啉环的形成和C-12位的羟基化（图2）。

图2. DNM/NM生物合成后修饰过程及DnmS/DnmT/DnmU的生物合成功能
在进行体外酶反应研究时，研究团队意外发现DnmT既能催化恶唑啉环的形成产生DNM，也能催化DNM中恶唑啉环的开环和脱N-甲基，最终形成中间体 5 ，从而逆转DNM的生物合成。为阐释DnmT催化恶唑啉成环与开环的酶学基础，研究团队基于酶蛋白建模、点突变以及分子动力学（MD）模拟和量子力学/分子力学（QM/MM）多尺度计算化学等方法详细解析了DnmT催化成环、开环和脱甲基反应的新颖酶学机制，同时通过体外实验捕捉到反应中间体 14 ，进一步佐证了该反应机理的合理性（图3）。

图3. Fe(II)/α-KG依赖型双加氧酶DnmT催化恶唑啉成环、开环和脱甲基化反应的机制
此外，研究团队还初步探索了DnmT催化多种反应的生物学意义。进一步发现，在野生菌株中，绝大部分DNM被分泌至胞外，而胞内含量较少；活性评估显示，DNM对革兰氏阳性菌的抑菌活性显著强于NM及其它中间体和副产物。由此，研究团队推测，DnmT催化恶唑啉成环产生DNM并释放到环境中，杀死竞争者，提升自身的生存能力；而催化恶唑啉开环和脱甲基可能是为了控制胞内DNM的浓度，减少对细菌自身的毒性，这一假设有待进一步的深入研究证实。
总之，本研究解析了抗生素DNM中罕见4-恶唑啉药效团的合成途径，并利用酶学和计算化学等方法揭示了新颖多功能Fe(II)/α-KG依赖型双加氧酶DnmT催化恶唑啉成环、开环和脱甲基化的酶学机制，为Fe(II)/α-KG依赖型双加氧酶在天然产物生物合成中的功能多样性以及其可能的生物学意义提供了新见解，同时也为活性氮杂蒽醌类天然产物的基因组挖掘提供了重要科学依据。
这一成果近日在线发表于 Journal of the American Chemical Society 上， 刘凯 博士、 张锦岩 （厦门大学）和 张光涛 博士为论文的共同第一作者， 张长生、王斌举 和 张光涛 为共同通讯作者。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Deciphering deoxynybomycin biosynthesis reveals Fe(II)/α-ketoglutarate-dependent dioxygenase-catalyzed oxazoline ring formation and decomposition
Kai Liu # , Jinyan Zhang # , Guangtao Zhang # , *, Liping Zhang, Zhen Meng, Liang Ma, Wenjun Zhang, Weiliang Xiong, Yiguang Zhu, Binju Wang*, Changsheng Zhang*
J. Am. Chem. Soc. , 2023 , DOI: 10.1021/jacs.3c11772
研究团队负责人简介
张长生 ，研究员，博士生导师，中国科学院南海海洋研究所副所长，中国科学院•中国-斯里兰卡联合科教中心主任。2002年毕业于德国Wuppertal大学获博士学位，2003-2008年在美国威斯康星大学麦迪逊分校从事博士后研究，2008年3月加入中国科学院南海海洋研究所，致力于海洋微生物天然产物发现、生物合成和创新药物研发研究。在 Science、Nat Commun、JACS、Mol Cell、Angew Chem Int Ed、Sci China Chem、Chem Sci 等期刊发表论文170余篇；授权专利近40件。2011年获得国家自然科学基金杰出青年基金，2014年入选科技部“中青年科技创新领军人才”、2015年入选“广东特支计划”杰出人才（南粤百杰），2016年入选国家“万人计划”科技创新领军人才，2021年入选英国皇家化学会会士。获得第四届曾呈奎海洋科技奖-青年科技奖（2016年）。现任期刊 Nat Prod Rep 编委会成员。
https://www.x-mol.com/university/faculty/280580
王斌举 ，厦门大学化学化工学院教授、博士生导师，主持国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目、科技部国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目等多项课题，在 Nature、Nat. Catal.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem. 等期刊发表研究论文100余篇。
王斌举教授课题组主页：
https://bjwanggroup.xmu.edu.cn/index.html
https://www.x-mol.com/university/faculty/243303
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