Beyond ethylmalonyl-CoA: The functional role of crotonyl-CoA carboxylase/reductase homologs in expanding polyketide diversity
- 作者
- Micheal C. Wilson, Bradley S. Moore
- 杂志
- Natural Product Reports（2011）
- DOI
- 10.1039/c1np00082a
- 所属领域
- 天然产物生物合成
- 关键词
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解决的核心问题
综述巴豆酰辅酶A羧化酶/还原酶（CCR）同源物在扩展聚酮化合物结构多样性中的新兴生物合成作用，包括其在初级和次级代谢中的功能、催化机制及工程应用。
研究策略
系统综述了CCR的发现历史、催化机制、在不同聚酮生物合成途径中的底物特异性，以及利用CCR同源物进行聚酮类似物工程改造的案例。
研究路线图
核心内容
巴豆酰辅酶A羧化酶/还原酶（CCR）同源物通过还原羧化α,β-不饱和酰基辅酶A，生成多种取代丙二酰辅酶A延伸单元，从而显著扩展聚酮化合物的结构多样性。该综述系统梳理了CCR的发现历史、催化机制及底物特异性，并指出约8%的已测序细菌含有乙基丙二酰CoA途径。在功能研究方面，Rhodobacter sphaeroides中的CCR催化巴豆酰CoA生成(2S)-乙基丙二酰CoA，其羧化活性约为还原活性的10倍；Salinispora tropica中的SalG可优先催化4-氯巴豆酰CoA并耐受反式2-戊烯酰CoA生成丙基丙二酰CoA；Streptomyces cinnamonensis的ccr敲除导致莫能菌素A产量显著下降，而添加巴豆酸可恢复产量。通过前体定向生物合成，研究者还获得了氟代盐孢菌素、15-氟-FK520和36-甲基-FK506等类似物，其中36-甲基-FK506表现出改善的神经突生长活性。这些发现确立了CCR同源物作为聚酮延伸单元多样化关键催化剂的范式，为组合生物合成与化学酶法工程改造聚酮天然产物提供了新策略和广阔应用前景。
创新点
首次系统总结了CCR同源物通过还原羧化α,β-不饱和酰基辅酶A生成多种取代丙二酰辅酶A延伸单元的机制，并提出了CCR作为聚酮延伸单元多样化重要催化剂的范例。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter sphaeroides | 乙基丙二酰CoA途径（初级代谢） | — | CCR | 催化 | 首个被证明具有还原羧化活性的CCR同源物，催化(E)-巴豆酰CoA还原羧化为(2S)-乙基丙二酰CoA，羧化速率约为还原速率的10倍。 |
| Streptomyces collinus | 丁酰CoA生物合成（脂肪酸代谢） | — | CCR | 催化 | 首次克隆并过表达的同源二聚体CCR，催化丁酰CoA形成的最后一步，不能接受其他烯酰CoA底物或NADH。 |
| Streptomyces cinnamonensis | 乙基丙二酰CoA途径/莫能菌素生物合成 | ccr | CCR | 催化 | ccr基因位于莫能菌素生物合成基因簇外，其敲除导致莫能菌素A产量显著降低，添加巴豆酸可提高产量。 |
| Salinispora tropica | 氯乙基丙二酰CoA途径 | salG | SalG | 催化 | CCR同源物，底物偏好4-氯巴豆酰CoA，催化还原羧化生成(2S)-氯乙基丙二酰CoA；也催化反式2-戊烯酰CoA生成丙基丙二酰CoA。 |
| Salinispora tropica | 乙基丙二酰CoA途径（初级代谢） | strop_3612 | Strop_3612 | 催化 | 初级代谢CCR，其失活导致盐孢菌素B产量大幅降低，为乙基丙二酰CoA提供丁酰单元。 |
| Salinispora tropica | 氯乙基丙二酰CoA途径 | salL | SalL | 催化 | 氯酶，催化SAM氯化生成5'-氯-5'-脱氧腺苷，也可利用溴离子生成溴化前体。 |
| Streptomyces tsukubaensis NRRL 18488 | 烯丙基丙二酰CoA途径 | allR/allA/allK | AllR/AllA/AllK | 催化 | all基因簇编码CCR同源物AllR及二酮合酶系统，负责FK506中烯丙基丙二酰CoA(11)的生物合成。 |
| Streptomyces sp. KCTC 11604BP | 烯丙基丙二酰CoA途径 | tcsA/tcsB/tcsC/tcsD | TcsA/TcsB/TcsC/TcsD | 催化 | TcsC为CCR同源物，TcsD为FAD依赖脱氢酶，体外重构证明其利用ACP底物进行还原羧化。 |
| Sorangium cellulosum So ce895 | 己基丙二酰CoA途径（Soce-thuggacin A生物合成） | tgaD | TgaD | 催化 | CCR同源物，推测催化2-辛烯酰CoA还原羧化生成己基丙二酰CoA，其失活导致Soce-thuggacin A产生菌株阴性。 |
| Streptomyces sp. JS360 | 己基丙二酰CoA途径（cinnabaramide A生物合成） | cinF | CinF | 催化 | CCR同源物，负责合成己基丙二酰CoA，其基因失活导致无法产生cinnabaramides。 |
| Streptomyces avermitilis | 己基丙二酰CoA途径（菲律宾菌素filipin生物合成） | pteB | PteB | 催化 | CCR同源物，首次体外表征的2-辛烯酰CoA羧化酶/还原酶，对C4-C10烯酰CoA底物具有广泛耐受性。 |
| Streptomyces sp. HK10576 | 异丁基丙二酰CoA途径（divergolides生物合成） | divR/divS/divT | DivR/DivS/DivT | 催化 | divR编码CCR同源物，divS编码FabH样KS，divT编码3-羟基丁酰CoA脱氢酶，异源表达可产生germicidin衍生物。 |
| Streptomyces flaveolus | 乙基丙二酰CoA途径（sanglifehrin A生物合成） | sfAR | SfAR | 催化 | CCR同源物，负责合成乙基丙二酰CoA用于引物单元，而非文中推测的氧化延伸单元。 |
| Ruminococcus sp. 18P13 | 未表征的次级代谢途径 | CBL16354 | CBL16354 | 催化 | 基因组中发现的CCR，位于FabH样酮脂酰合酶上游，推测参与聚酮/非核糖体肽组装，但无相关次级代谢产物报道。 |
关键发现
- Rhodobacter sphaeroides CCR催化巴豆酰CoA还原羧化生成(2S)-乙基丙二酰CoA，羧化活性约为还原活性的10倍
- 约8%的已测序细菌含乙基丙二酰CoA途径，其中仅1%同时拥有完整的乙醛酸循环
- Salinispora tropica中的SalG优先催化4-氯巴豆酰CoA，并能催化反式2-戊烯酰CoA生成丙基丙二酰CoA
- Streptomyces cinnamonensis ccr敲除导致莫能菌素A产量显著降低，添加巴豆酸可提高产量
- Streptomyces avermitilis PteB对C4-C10烯酰CoA底物具有广泛耐受性
- 通过前体定向生物合成获得了氟代盐孢菌素(39)、15-氟-FK520(79)和36-甲基-FK506(80)等类似物，其中36-甲基-FK506表现出改善的神经突生长活性。
研究结论
CCR同源物是扩展聚酮化合物延伸单元多样性的关键酶，通过还原羧化反应生成多种非传统延伸单元，为聚酮结构多样化提供了新策略，并在组合生物合成和化学酶法工程中展现出应用潜力。