Convergent strategies in biosynthesis
- 作者
- Tohru Dairi, Tomohisa Kuzuyama, Makoto Nishiyama, Isao Fujii
- 杂志
- Natural Product Reports（2010）
- DOI
- 10.1039/c0np00047g
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
自然界如何通过不同的代谢途径（趋同进化）合成相同的小分子化合物，以异戊烯基二磷酸、甲萘醌、赖氨酸和芳香聚酮为例，揭示不同途径的多样性、分布及生物学意义。
研究策略
系统综述已知的经典途径和替代途径，结合基因组学、同位素示踪、基因敲除、体外酶学及抑制剂研究，比较不同途径的基因/酶、中间体和调节机制。
核心内容
该综述系统梳理了自然界中同一小分子化合物经由多条独立进化途径合成的趋同策略，以异戊烯基二磷酸、甲萘醌、赖氨酸和芳香聚酮为典型案例，比较了各途径在酶学、基因簇组织和调控机制上的显著差异。作者整合基因组学、同位素示踪、基因敲除和体外酶学等证据，阐明了经典途径与替代途径的分布及其生物学意义，并提出了趋同生物合成策略的概念框架。关键结果包括：在变铅青链霉菌中共表达nphT7基因与HMG-CoA合酶及还原酶基因使甲羟戊酸产量提高3.5倍；酮氯唑酮在20 μM时抑制47%的DXP合酶活性；而II类HMG-CoA还原酶对他汀类药物的敏感性比I类低4个数量级以上。此外，在肉桂链霉菌中呋喃萘醌I的生物合成中，MVA途径贡献约80%，MEP途径仅占约20%。这些发现揭示了代谢进化的基本原理，也为代谢工程改造和针对病原菌的新型药物靶点开发提供了理论依据和实验基础。
创新点
提出了趋同生物合成策略的概念，整合多个领域的进展，具体包括：MEP途径的发现、futalosine途径的阐明、HMG-CoA还原酶两类酶的区分、赖氨酸合成途径的多样性，以及PKS环化机制的多样性。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 多种原核生物和真核生物 | 甲羟戊酸途径 (MVA) | nphT7 | NphT7 (乙酰乙酰CoA合成酶) | 催化 | 催化乙酰CoA与丙二酰CoA缩合生成乙酰乙酰CoA，与经典硫解酶不同 |
| 粪肠球菌等 | 甲羟戊酸途径 (MVA) | mvaE | MvaE (融合乙酰乙酰CoA硫解酶和HMG-CoA还原酶) | 催化 | 双功能酶，催化两个不同反应 |
| 多种生物 | 甲羟戊酸途径 (MVA) | — | HMG-CoA还原酶 (I类和II类) | 催化 | I类主要存在于真核生物和部分古菌，II类存在于细菌和古菌，II类对他汀类药物敏感性低 |
| 多种细菌和植物质体 | MEP途径 | dxs | 1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶 (DXP合酶) | 催化 | 催化丙酮酸与D-甘油醛3-磷酸缩合 |
| 多种细菌 | MEP途径 | dxr | DXP还原异构酶 | 催化 | 被磷胺霉素特异抑制 |
| 大肠杆菌 | 甲萘醌经典途径 | menD | MenD (SEPHCHC合酶) | 催化 | 催化异分支酸与α-酮戊二酸缩合生成SEPHCHC |
| 大肠杆菌 | 甲萘醌经典途径 | menH | MenH (SHCHC合酶) | 催化 | 催化SEPHCHC转化为SHCHC，单功能酶 |
| 天蓝色链霉菌 | 甲萘醌futalosine途径 | mqnA (SCO4506) | MqnA | 催化 | 催化最上游步骤，将分支酸转化为futalosine或氨基脱氧futalosine |
| 天蓝色链霉菌 | 甲萘醌futalosine途径 | mqnB (SCO4327) | MqnB | 催化 | 催化futalosine脱次黄嘌呤生成DHFL |
| 幽门螺杆菌 | 甲萘醌futalosine途径 | mqnB | MqnB (幽门螺杆菌同源物) | 催化 | 特异性水解氨基脱氧futalosine，是抗幽门螺杆菌药物靶标 |
| 细菌 | 赖氨酸DAP途径 | — | 二氢吡啶二羧酸合酶等DAP途径酶 | 催化 | 从L-天冬氨酸经二氨基庚二酸合成L-赖氨酸 |
| 真菌 | 赖氨酸AAA途径 | — | α-氨基己二酸途径酶 | 催化 | 从α-酮戊二酸经α-氨基己二酸合成L-赖氨酸 |
| 链霉菌 | 芳香聚酮生物合成 | — | III型聚酮合酶 (PKS) | 催化 | 催化合成1,3,6,8-四羟基萘 (T4HN) |
| 真菌 | 芳香聚酮生物合成 | — | 迭代I型PKS | 催化 | 催化合成T4HN，与III型PKS途径趋同 |
关键发现
- 共表达nphT7基因与HMG-CoA合酶及HMG-CoA还原酶基因在异源宿主Streptomyces albus中使甲羟戊酸产量提高3.5倍
- 20 μM的ketoclomazone抑制47%的DXP合成酶活性
- 两种M. tuberculosis DXP合成酶抑制剂类似物的最低抑菌浓度分别为7.6和7.7 μM
- 12-甲基十四烷酸和13-甲基十四烷酸抑制futalosine途径的最低抑菌浓度为32 μg/mL
- 次黄嘌呤对MqnB的Ki值为1.1 mM
- Streptomyces cinnamomenis DSM 1042中furanonaphthoquinone I的生物合成中MVA途径贡献约80%，MEP途径贡献约20%
- II类HMG-CoA还原酶对他汀类药物的敏感性比I类低4个数量级以上。
研究结论
综述表明，同一小分子可通过多条独立进化的途径合成，这些途径在酶、基因簇和调控上差异显著。理解这些趋同策略不仅揭示了代谢进化的基本原理，也为代谢工程改造和针对病原菌的药物开发提供了新靶标。