First trans-eunicellane terpene synthase in bacteria
- 作者
- Zining Li, Baofu Xu, Volga Kojasoy, Teresa Ortega, Donovan A. Adpressa, Wenbo Ning, Xiuting Wei, Jamin Liu, Dean J. Tantillo, Sandra Loesgen, Jeffrey D. Rudolf
- 单位
- Department of Chemistry, University of Florida, Gainesville, FL, United States; Department of Chemistry, University of California–Davis, Davis, CA, United States; Loxo Oncology, Inc., Louisville, CO, United States; Whitney Laboratory for Marine Biosciences, University of Florida, St. Augustine, FL, United States
- 杂志
- Chem（2023）
- DOI
- 10.1016/j.chempr.2022.12.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
细菌中具有巨大未开发的萜类生物合成潜力，但原核生物在萜类化学空间中代表性不足，且自然界中尚未发现能形成反式eunicellane骨架的萜烯合酶。
研究策略
利用序列相似性网络对细菌萜烯合酶进行基因组挖掘，发现来自Streptomyces albireticuli的AlbS；通过异源表达、体外酶活测定、NMR结构鉴定、定点突变、氘标记实验和量子化学计算阐明其环化机制。
核心内容
该研究通过序列相似性网络对细菌萜烯合酶进行基因组挖掘，从Streptomyces albireticuli中发现并表征了自然界首个反式eunicellane萜烯合酶AlbS。异源表达和体外酶活测定表明，AlbS催化GGPP生成单一主要产物albireticulene（1），经NMR和Mosher酯分析确定其具有1R,2E,6E,10R,11S,14R绝对构型。定点突变、氘标记实验和DFT计算揭示了环化机制：1,10-环化先形成单环中间体，随后1,3-氢迁移和1,14-环化完成双环骨架构建，其中1R-2H从C-1直接迁移至C-11，与顺式eunicellane合酶Bnd4使用pro-S氢形成关键立体化学差异，迁移能垒为11.1 kcal/mol。AlbS还能以FPP为底物产生五种倍半萜。这一发现证明细菌是未被充分开发的萜类化学空间的重要来源，为理解6/10-双环体系的生物合成提供了新模型。
创新点
首次发现并表征了自然界中第一个反式eunicellane萜烯合酶AlbS；通过多种技术手段确定了产物albireticulene（1）的绝对构型；揭示了AlbS与顺式eunicellane合酶Bnd4在立体选择性1,3-氢迁移上的关键机制差异。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 萜类生物合成途径 | albS | AlbS | 催化 | 来自Streptomyces albireticuli NRRL B-1670，催化GGPP形成反式eunicellane骨架产物albireticulene（1），也可催化FPP生成多种倍半萜 |
| Escherichia coli | 萜类生物合成途径 | bnd4 | Bnd4 | 催化 | 来自Streptomyces sp. CL12-4的顺式eunicellane合酶，用于与AlbS进行机制对比 |
| 无 | 萜类生物合成途径 | GGPP合酶基因 | GGPP合酶 | 催化 | AlbS基因簇中邻近的polyprenyl synthase，负责合成底物GGPP |
| 无 | 萜类骨架修饰 | P450基因 | 细胞色素P450 | 催化 | AlbS基因簇中至少一个细胞色素P450，推测参与后续氧化修饰 |
| 无 | 萜类生物合成途径 | 无 | 无 | 调控 | AlbS具有典型的I型萜烯合酶DDxxD和NSE金属结合基序及C端WxxxxxRY基序 |
关键发现
- AlbS催化GGPP生成单一主要产物albireticulene（1），其分子式为C20H32（GC-MS M+ m/z=272.17）
- 1具有反式eunicellane骨架，绝对构型为1R,2E,6E,10R,11S,14R。1在氯仿中快速降解为gersemiene A（8）和B（9），比例7:1
- mCPBA氧化1得到10，经Mosher酯分析确定C-6为S构型。AlbS突变体Y214F产生单环中间体prenylgermacrene A（14），表明1,10-环化先发生。氘标记实验证实1R-2H从C-1直接1,3-迁移至C-11，而Bnd4使用pro-S氢。DFT计算（mPW1PW91/6-31+G(d,p)//B3LYP/6-31+G(d,p)）显示1,3-氢迁移能垒11.1 kcal/mol，B1+中间体比A+低11.6 kcal/mol，1,14-环化过渡态([B-C]‡)比B1+高8.5 kcal/mol。AlbS还以FPP为底物产生β-elemene（3）、shyobunol（4）、elemol（5）、trans-nerolidol（6）和epi-α-cadinol（7）五种倍半萜。
研究结论
AlbS是自然界中首个反式eunicellane萜烯合酶，证明了细菌是新型萜类化合物的宝贵来源；研究阐明了其环化机制，并揭示了与顺式eunicellane合酶Bnd4在立体化学控制上的关键区别，为理解6/10-双环体系的化学提供了模型系统。