Noncanonical Functions of Enzyme Cofactors as Building Blocks in Natural Product Biosynthesis
- 作者
- Lena Barra, Takayoshi Awakawa, Ikuro Abe
- 单位
- Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan; Department of Chemistry, University of Konstanz, 78457 Konstanz, Germany; Collaborative Research Institute of Innovative Microbiology, The University of Tokyo, Tokyo 113-8658, Japan; Collaborative Research Institute of Innovative Microbiology, The University of Tokyo, Tokyo 113-8657, Japan
- 杂志
- JACS Au（2022）
- DOI
- 10.1021/jacsau.2c00391
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
酶辅因子（如NAD、SAM、FMN、heme）在天然产物生物合成中作为非经典砌块（building block）的功能被忽视，其介导的新颖酶化学反应和生物合成途径尚未被充分探索。
研究策略
采用Perspective综述形式，选取代表性实例，结合抗性基因引导的基因组挖掘、异源表达、体外酶活重构、同位素标记、非靶向代谢组学等多种方法，解析辅因子衍生天然产物的生物合成途径及酶机制。
研究路线图
核心内容
该文以Perspective综述形式，系统梳理了酶辅因子在天然产物生物合成中作为非经典砌块的新功能。作者选取代表性实例，整合抗性基因引导的基因组挖掘、异源表达、体外酶活重构、同位素标记与非靶向代谢组学等手段，解析了多条辅因子衍生天然产物的生物合成途径与酶催化机制。核心突破在于首次揭示NAD可作为砌块参与天然产物组装，其中PLP依赖酶SbzP单独即可催化NAD与SAM发生(3+3)环加成反应，生成6-氮杂四氢茚骨架；利用抗性基因引导策略，在Streptomyces sp. NCIMB40513中鉴定到含18个ORF的NAD衍生天然产物基因簇，并在变铅青链霉菌TK21中异源表达验证。此外，该文系统总结了SAM作为砌块的多种非经典反应模式，如Mur24直接利用SAM催化Cγ-替换反应，其对非天然底物的活性仅为天然底物的9%，并发现SalI可利用氯离子将SAM转化为5'-氯-5'-脱氧腺苷。这些发现揭示辅因子利用酶可作为独特生物催化剂和潜在药物靶点，拓展了对天然产物生物合成逻辑的认知，为基因组挖掘与合成生物学改造提供了新策略。
创新点
['首次揭示NAD作为天然产物生物合成砌块的功能，发现SbzP催化PLP依赖的(3+2)环加成反应，将NAD和SAM转化为6-氮杂四氢茚骨架。', '系统总结了SAM作为砌块的多种非经典反应模式，包括Cγ替换、Claisen缩合、氨基丙基转移等。', '提出抗性基因引导的基因组挖掘策略（如氨酰tRNA合成酶基因），用于发现非经典天然产物基因簇。', '展示了辅因子利用酶作为独特生物催化剂和药物靶点的潜力。']
研究对象（26）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbzP | SbzP | 催化 | PLP依赖酶，单独催化NAD和SAM之间的(3+2)环加成，形成6-氮杂四氢茚骨架。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrQ | SbrQ | 催化 | 参与二核苷酸改造（dinucleotide tailoring）。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrI | SbrI | 催化 | 参与二核苷酸改造。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrN | SbrN | 催化 | 参与去腺苷酰核糖基化（deadenosylphosphoribosylation）。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrO | SbrO | 催化 | 参与去腺苷酰核糖基化。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrH | SbrH | 催化 | 参与去腺苷酰核糖基化。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrF | SbrF | 催化 | 4,5-二氢吡啶还原酶。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrE | SbrE | 催化 | N-甲基转移酶，生成altenicidin。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrA | SbrA | 催化 | 酰基转移酶，参与侧链修饰。 |
| Streptomyces sp. NCIMB40513 | NAD-derived 6-azatetrahydroindane natural product biosynthesis | sbrC | SbrC | 催化 | 酰基转移酶，参与侧链修饰。 |
| — | Spermidine and spermine biosynthesis from SAM | — | SAM decarboxylase (SAMDC) | 催化 | 催化SAM脱羧生成脱羧SAM（decarboxy-SAM）。 |
| — | Spermidine and spermine biosynthesis from SAM | — | Spermidine synthase (SpdS) | 催化 | 将脱羧SAM的氨基丙基转移到腐胺上生成亚精胺。 |
| — | Spermidine and spermine biosynthesis from SAM | — | Spermine synthase (SpmS) | 催化 | 将脱羧SAM的氨基丙基转移到亚精胺上生成精胺。 |
| 植物（如苹果） | Ethylene biosynthesis (Yang cycle) | — | ACC synthase (ACCS) | 催化 | PLP依赖酶，催化SAM转化为1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）。保守赖氨酸Lys273。 |
| Streptomyces sp. CB01883 | Guangnanmycin biosynthesis | gnmY | GnmY | 催化 | 细菌来源的ACCS同源物，与植物ACCS序列同一性15%-20%。 |
| Streptomyces violaceusniger 4521-SVS3 | Norcoronamic acid biosynthesis | orf30 | Orf30 | 催化 | 细菌来源的ACCS同源物，与植物ACCS序列同一性15%-20%。 |
| Vibrio cholerae | CAI-1 autoinducer biosynthesis | cqsA | CqsA | 催化 | PLP依赖酶，利用SAM和癸酰辅酶A生成Ea-CAI-1。保守赖氨酸Lys236。 |
| Legionella pneumophila | Legionella autoinducer biosynthesis | lqsA | LqsA | 催化 | CqsA同源物，产生α-羟基酮信号分子。 |
| Vibrio fischeri | N-acylhomoserine lactone (AHL) biosynthesis | — | AHL synthase | 催化 | GNAT家族酶，催化SAM的酰化和内酯化。 |
| Streptomyces sp. | Muramycyin D1 biosynthesis | mur24 | Mur24 | 催化 | PLP依赖酶，直接利用SAM催化Cγ-替换反应；对(R)-SAM和S-甲基甲硫氨酸的活性为9%。 |
| Salinispora tropica | Salinosporamide A biosynthesis | salI | SalI | 催化 | SAM依赖氯代酶，与氟化酶FIA有35%序列同一性，催化SAM生成5'-氯-5'-脱氧腺苷。 |
| Streptomyces cattleya | Fluoroacetate biosynthesis | fia | FIA | 催化 | 氟化酶，用于对照，催化SAM的氟化。 |
| Streptomyces davawensis | Roseoflavin biosynthesis from FMN | rosA | RosA | 催化 | 甲基转移酶，催化roseoflavin生物合成中的甲基化。 |
| Streptomyces davawensis | Roseoflavin biosynthesis from FMN | rosB | RosB | 催化 | 催化氧化、脱羧、胺化级联反应，以谷氨酰胺为胺供体。 |
| Escherichia coli O157:H7 | Anaerobic heme degradation (anaerobilin biosynthesis) | chuW | ChuW | 催化 | 自由基SAM酶，打开血红素卟啉环释放铁。 |
| Escherichia coli O157:H7 | Anaerobic heme degradation (anaerobilin biosynthesis) | chuY | ChuY | 催化 | NADPH依赖还原酶，将anaerobilin还原为anaerorubin。 |
关键发现
- ['NAD在细胞中浓度处于mM范围，SAM浓度约10 μM。', '通过抗性基因引导的基因组挖掘，在Streptomyces sp. NCIMB40513中鉴定到含18个ORF的NAD衍生天然产物生物合成基因簇，并在Streptomyces lividans TK21中异源表达验证。', 'PLP依赖酶SbzP单独即可利用NAD和SAM催化(3+2)环加成，生成关键中间体5。', 'Mur24直接利用SAM作为底物催化Cγ-替换反应
- 其对(R)-SAM和S-甲基甲硫氨酸的活性仅为天然底物(S)-SAM的9%。', "SalI与氟化酶FIA具有35%的序列同一性，利用氯离子将SAM转化为5'-氯-5'-脱氧腺苷。", '细菌ACCS同源物GnmY和orf30与植物ACCS的序列同一性仅为15%-20%。', 'RosB催化氧化、脱羧、胺化级联反应，以谷氨酰胺为胺供体，生成玫瑰黄素。', 'CqsA利用SAM和癸酰辅酶A生成Ea-CAI-1，保守赖氨酸为Lys236。']
研究结论
酶辅因子在天然产物生物合成中可作为底物砌块，产生结构新颖、功能多样的代谢物，并伴随多种前所未有的酶催化反应。对这些非经典途径的解析不仅拓展了对天然产物生物合成逻辑的认知，也为基因组挖掘、生物催化和合成生物学提供了新工具与思路。未来在细菌以外的生物资源中可能发现更多类似途径。