Cryptic indole hydroxylation by a non-canonical terpenoid cyclase parallels bacterial xenobiotic detoxification
- 作者
- Susann Kugel, Martin Baunach, Philipp Baer, Mie Ishida-Ito, Srividhya Sundaram, Zhongli Xu, Michael Groll, Christian Hertweck
- 杂志
- Nature Communications（2017）
- DOI
- 10.1038/ncomms15804
- 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
阐明非经典萜类环化酶XiaF催化的隐性吲哚羟基化步骤及其进化起源，揭示其与细菌外源物脱毒酶的关系。
研究策略
通过体外重构XiaF与黄素还原酶XiaP的双组分系统，结合系统发育分析、晶体结构解析（2.4 Å）和生物转化实验，揭示XiaF作为黄素依赖单加氧酶催化吲哚C-3位羟基化，并证明其与脱毒酶的同源关系。
核心内容
该研究解析了非经典萜类环化酶XiaF在xiamycin生物合成中催化隐秘吲哚羟基化的分子机制及其进化起源。通过体外重构XiaF与黄素还原酶XiaP的双组分系统，发现XiaF属于D组黄素依赖单加氧酶，需依赖XiaP或Fre提供还原型FAD才能高效催化吲哚C-3位羟基化；XiaP以NADH为辅因子，对FAD、FMN和核黄素无显著偏好。晶体结构（2.4 Å）与系统发育分析表明，XiaF与细菌外源物脱毒酶（如4-羟苯基乙酸3-羟化酶C2-HpaH的r.m.s.d.为2.3 Å）高度同源，分子对接预测吲哚C3与FAD-OOH距离为2.9 Å。体外实验显示，XiaF可将100 μM吲哚底物转化为靛蓝和靛玉红，并能将indosepene转化为xiamycin，证实其催化过程触发萜类环化。该工作揭示了天然产物生物合成酶可源自外源物脱毒酶的新进化路径，为理解结构多样性提供了视角，同时展示了XiaF在靛蓝类化合物生物合成中的潜在应用价值。
创新点
1. 发现并表征了XiaF的天然还原酶伴侣XiaP，实现了体外高效重构；2. 证明XiaF催化隐秘的吲哚C-3羟基化，并可用以生产靛蓝和靛玉红；3. 解析了XiaF与FADH2的晶体结构，结构及系统发育分析表明XiaF来源于外源物降解酶。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | xiamycin生物合成 | xiaF | XiaF | 催化 | 非经典萜类环化酶/黄素依赖单加氧酶，催化吲哚C-3羟基化并引发环化，可用以生产靛蓝和靛玉红 |
| Escherichia coli | xiamycin生物合成 | xiaP | XiaP | 能量供给 | 黄素还原酶，为XiaF提供还原型FADH2；依赖NADH |
| Escherichia coli | 大肠杆菌代谢 | fre | Fre | 能量供给 | 大肠杆菌内源黄素还原酶，在体外可替代XiaP作为还原伴侣 |
关键发现
- XiaF是一种D组黄素依赖单加氧酶，需与黄素还原酶（XiaP或Fre）组成双组分系统才能高效催化吲哚C-3羟基化
- XiaP依赖NADH，对FAD/FMN/核黄素无显著偏好
- XiaF在体外可将100 μM indosepene转化为中间体（m/z [M-H] 364.1928 Da）并最终生成xiamycin
- 以吲哚为底物时生成靛蓝和靛玉红
- XiaF四聚体分子量176 kDa，晶体结构分辨率2.4 Å（PDB: 5LVU, 5LVW, 5MR6）
- XiaF与4-羟苯基乙酸3-羟化酶C2-HpaH的r.m.s.d.为2.3 Å，与仲类固醇羟化酶HsaA为1.8 Å
- 分子对接预测吲哚C3与FAD-OOH距离2.9 Å。
研究结论
XiaF是一种来源于细菌外源物脱毒酶的非经典萜类环化酶，通过催化吲哚C-3隐秘羟基化触发萜类环化，其催化机制和进化关系为理解天然产物结构多样性提供新视角，并可作为靛蓝/靛玉红生物合成的潜在工具。