Biosynthesis of the Isoprenoid Moieties of Furanonaphthoquinone I and Endophenazine A in Streptomyces cinnamonensis DSM 1042
- 作者
- Gerhard Bringmann, Yvonne Haagen, Tobias A. M. Gilder, Tanja Gilder, Lutz Heide
- 单位
- Institute of Organic Chemistry, University of Würzburg, Am Hubland, D-97074 Würzburg, Germany; Pharmaceutical Biology, University of Tübingen, Auf der Morgenstelle 8, D-72076 Tübingen, Germany
- 杂志
- Journal of Organic Chemistry（2007）
- DOI
- 10.1021/jo0703404
- 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
尽管Streptomyces cinnamonensis DSM 1042的FNQ I和endophenazine A生物合成基因簇中仅含一个甲羟戊酸途径基因（推定甲羟戊酸激酶），但其异戊二烯基部分究竟由甲羟戊酸途径还是MEP途径提供，以及两者的贡献比例问题。
研究策略
通过喂养[13C2]乙酸和[2-13C]甘油，结合13C NMR分析FNQ I和endophenazine A的标记模式，区分甲羟戊酸途径与MEP途径的贡献。
研究路线图
核心内容
本研究通过喂养[13C₂]乙酸和[2-¹³C]甘油，结合¹³C NMR分析，揭示了Streptomyces cinnamonensis DSM 1042中furanonaphthoquinone I（FNQ I）和endophenazine A的异戊二烯基部分的生物合成来源。研究发现，尽管该菌株基因组中仅含一个推定甲羟戊酸激酶基因，两种化合物的异戊二烯基部分却同时由甲羟戊酸途径（约80%）和MEP途径（约20%）提供，标记模式中C-3和C-13富集8.9%进一步确认了MEP途径的贡献。这表明缺失的甲羟戊酸途径基因位于基因组其他位置。此外，[¹³C₂]乙酸喂养显示FNQ I多酮部分存在C2单元随机化，证明其生物合成涉及对称中间体1,3,6,8-四羟基萘及C-3位“反向”异戊二烯基化反应。在标准生产培养基中，FNQ I产量为8 mg/L，endophenazine A为4 mg/L。这是首次在放线菌中证明同一代谢物的异戊二烯基部分同时由两条途径提供，为理解天然产物生物合成中IPP/DMAPP供给的灵活性提供了新视角。
创新点
首次在放线菌中证明同一次级代谢物的异戊二烯基部分同时由甲羟戊酸途径（约80%）和MEP途径（约20%）提供；发现FNQ I基因簇不含完整甲羟戊酸途径基因，暗示缺失基因位于基因组其他位置；通过标记模式揭示FNQ I生物合成涉及对称中间体1,3,6,8-四羟基萘以及C-3位"反向"异戊二烯基化反应。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces cinnamonensis DSM 1042 | 甲羟戊酸途径 | 推定甲羟戊酸激酶基因 | 甲羟戊酸激酶 | 催化 | 基因簇中唯一发现的甲羟戊酸途径基因，但途径整体仍主导异戊二烯基合成（约80%） |
| Streptomyces cinnamonensis DSM 1042 | MEP途径 | — | — | 催化 | MEP途径提供约20%的异戊二烯基前体，与甲羟戊酸途径同时参与同一次级代谢物的合成 |
| Streptomyces cinnamonensis DSM 1042 | FNQ I生物合成 | fnq6 | Fnq6（III型聚酮合酶） | 催化 | 催化对称中间体1,3,6,8-四羟基萘(THN)的形成 |
| Streptomyces cinnamonensis DSM 1042 | FNQ I生物合成 | fnq9, fnq27 | Fnq9和Fnq27（甲基转移酶） | 催化 | 负责C-6甲基和C-7甲氧基的S-腺苷甲硫氨酸依赖的甲基化 |
| Streptomyces cinnamonensis DSM 1042 | FNQ I生物合成 | — | 反向异戊二烯基转移酶（可能类似FgaPT1） | 催化 | 催化GPP的C-3与THN的C-3形成C-C键，随后发生C-3-OH对GPP C-2的攻击，即"反向"异戊二烯基化 |
| Streptomyces cinnamonensis DSM 1042 | 甲羟戊酸途径 | — | II型DMAPP-IPP异构酶 | 催化 | 可能因立体控制不完美导致部分C2单元标记位置异常 |
关键发现
- 在标准生产培养基中，FNQ I产量为8 mg/L，endophenazine A为4 mg/L
- 添加葡萄糖（1%）后产量分别降至0.8 mg/L和0.1 mg/L（替代甘油）或3 mg/L和1 mg/L（添加）
- 降低甘油至1%时FNQ I仍为8 mg/L，endophenazine A降至1.5 mg/L。喂养[13C2]乙酸后，FNQ I和endophenazine A的异戊二烯基部分显示甲羟戊酸途径典型标记（如2J耦合常数39.9、35.3、43.9、42.2 Hz）
- 喂养[2-13C]甘油后，C-3和C-13富集8.9%，C-2Me和C-11富集6.5%，C-2和C-12富集1.5%，估算MEP途径贡献约20%，甲羟戊酸途径约80%。[13C2]乙酸喂养还显示FNQ I多酮部分存在C2单元随机化，证明对称中间体1,3,6,8-四羟基萘的存在。
研究结论
S. cinnamonensis DSM 1042中FNQ I和endophenazine A的异戊二烯基部分主要由甲羟戊酸途径提供（约80%），MEP途径也有约20%贡献；因此缺失的甲羟戊酸途径基因位于基因组其他位置。FNQ I生物合成涉及对称多酮中间体（1,3,6,8-四羟基萘）和C-3位的"反向"异戊二烯基化反应。