Identification and Characterization of Xiamycin A and Oxiamycin Gene Cluster Reveals an Oxidative Cyclization Strategy Tailoring Indolosesquiterpene Biosynthesis
- 作者
- Huixian Li, Qingbo Zhang, Sumei Li, Yiguang Zhu, Guangtao Zhang, Haibo Zhang, Xinpeng Tian, Si Zhang, Jianhua Ju, Changsheng Zhang
- 单位
- CAS Key Laboratory of Marine Bio-resources Sustainable Utilization, RNAM Center for Marine Microbiology, Guangdong Key Laboratory of Marine Materia Medica, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, 164 West Xingang Road, Guangzhou 510301, China; Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 19 Yuquan Road, Beijing, 100049 China
- 杂志
- J. Am. Chem. Soc.（2012）
- DOI
- 10.1021/ja303004g
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
揭示海洋来源链霉菌中吲哚倍半萜类化合物xiamycin A和oxiamycin的生物合成基因簇及其生物合成机制，特别是氧化环化策略。
研究策略
采用部分基因组测序鉴定推定基因簇，通过λ-RED介导的基因敲除、中间体喂养和异源表达，结合体外酶学表征研究生物合成途径。
核心内容
该研究鉴定并表征了海洋链霉菌SCSIO 02999中吲哚倍半萜类化合物xiamycin A（XMA）和oxiamycin（OXM）的生物合成基因簇，揭示了一种新颖的氧化环化策略。通过部分基因组测序获得约29 kb的基因簇，含21个开放阅读框，其中18个与XMA/OXM生物合成相关。结合λ-RED介导的基因敲除、中间体喂养和异源表达，研究者确认indosepene为共同前体，并发现黄素依赖加氧酶XiaI催化其氧化环化生成prexiamycin，后者自发氧化为XMA。体外酶学实验中，XiaI以NADH或NADPH为辅因子、FMN可替代FAD，在400 μM底物条件下成功将indosepene转化为XMA；在工程大肠杆菌中，200 μM indosepene的500 mL培养物分离得到7.0 mg prexiamycin。基因功能分析显示ΔxiaP和ΔxiaR突变株完全丧失产生能力，而ΔxiaE、ΔxiaF和ΔxiaN仅导致产量略降。该工作首次报道细菌来源的吲哚倍半萜生物合成基因簇，为这类天然产物的生物合成提供了新策略。
创新点
首次报道了细菌来源的吲哚倍半萜生物合成基因簇；发现黄素依赖的加氧酶XiaI催化新型氧化环化反应，将indosepene转化为prexiamycin进而自发氧化生成XMA。
研究对象（19）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaA | XiaA | 催化 | Rieske 2Fe-2S域含氧酶，推定参与芳香环羟化 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaB | XiaB | 催化 | FMN结合黄素还原酶，可能参与电子传递 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaC | XiaC | 调控 | IclR家族转录调控因子 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaD | XiaD | 催化 | HMBPP还原酶，参与非甲羟戊酸途径 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaE | XiaE | 催化 | DXP合酶，参与非甲羟戊酸途径 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaF | XiaF | 催化 | HMBPP合酶，参与非甲羟戊酸途径 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaG | XiaG | 调控 | LuxR家族调节子 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaH | XiaH | 转运 | 推定膜蛋白，可能参与运输或抗性 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaI | XiaI | 催化 | 吲哚加氧酶/酰基CoA脱氢酶，催化indosepene氧化环化生成prexiamycin |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaJ | XiaJ | 催化 | 柠檬烯-1,2-环氧化物水解酶 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaK | XiaK | 催化 | 芳香环羟化酶，对OXM生物合成必需 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaL | XiaL | 催化 | 铁氧还蛋白，参与电子传递 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaM | XiaM | 催化 | 细胞色素P450，推定参与氧化反应 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaN | XiaN | 催化 | 聚异戊二烯二磷酸合酶，可能催化FPP合成 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaO | XiaO | 催化 | 含色氨酸2,3-双加氧酶域和FAD依赖氧化还原酶域的双功能单加氧酶 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaP | XiaP | 催化 | 推定聚异戊二烯合酶/异戊烯基转移酶，可能将FPP连接至吲哚 |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaQ | XiaQ | 调控 | LuxR家族转录调控因子（LAL类） |
| Streptomyces sp. SCSIO 02999 | XMA/OXM吲哚倍半萜生物合成 | xiaR | XiaR | 调控 | LuxR家族转录调控因子（LAL类），对XMA/OXM产生必需 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 异源表达与生物转化 | xiaI | XiaI | 催化 | 异源表达用于indosepene生物转化和体外酶学表征 |
关键发现
- 基因簇约29 kb，含21个ORF，其中18个与XMA/OXM生物合成有关；在ΔxiaK突变株中，15 L发酵液分离得到90.4 mg indosepene；XiaI体外实验（400 μM indosepene、1 mM FAD、2 mM NADH、5 μM XiaI，50 mM Tris-HCl pH
- 0，28°C）可将indosepene转化为XMA，中间体prexiamycin分子式为C23H27NO3，HRFABMS m/z
- 2099 [M+H]+；ΔxiaE和ΔxiaF突变株XMA/OXM产量略有降低，ΔxiaN产量略降，ΔxiaP和ΔxiaR完全丧失产生能力；在E. coli BL21(DE3)/pCSG2604中，30 μM indosepene在4 h内转化为中间体4和XMA，200 μM indosepene（共36 mg）的500 mL培养物中分离得7.0 mg prexiamycin；XiaI可用NADH或NADPH作为辅因子，FMN可替代FAD。
研究结论
鉴定并表征了XMA/OXM的生物合成基因簇，证明了indosepene是共同前体，XiaI催化氧化环化形成XMA，为吲哚倍半萜生物合成提供新策略。