Unusual chemistries in fungal meroterpenoid biosynthesis
- 作者
- Yudai Matsuda, Takayuki Awakawa, Takahiro Mori, Ikuro Abe
- 单位
- Graduate School of Pharmaceutical Sciences, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2016）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2015.11.001
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析真菌meroterpenoid生物合成中非常规酶催化反应和新型酶家族（如膜结合萜烯环化酶、多功能氧化酶）的机制及其对结构多样性的贡献。
研究策略
综述近年来真菌meroterpenoid生物合成研究进展，重点比较不同物种中萜烯环化反应和环化后氧化修饰反应的酶学机制。
核心内容
该综述聚焦于真菌meroterpenoid生物合成中非常规酶催化反应及新型酶家族对结构多样性的贡献。研究系统比较了不同物种中萜烯环化与环化后氧化修饰的酶学机制，发现一类约25 kDa、含7个跨膜螺旋的膜结合萜烯环化酶（如Trt1、AdrI、AusL、AndB），其缺乏已知环化酶的保守天冬氨酸富集基序，且Trt1环化依赖底物羧基甲基化。该类酶对环氧底物的构象选择决定产物骨架：AndB催化(10'S)-环氧底物经椅-船构象生成6.6.6.6.5-稠合五环产物，而Trt1等催化(10'R)-底物经椅-椅构象产生四环中间体。此外，非血红素铁/α-酮戊二酸依赖性双加氧酶（AusE、AndA、AndF）可催化螺内酯环形成及双环[2.2.2]辛烷构建等前所未有的碳骨架重排，其铁结合残基分别鉴定为H130/D132/H214与H135/D137/H213。多功能P450与新型小分子异构酶Trt14（<150个氨基酸）协同介导D环扩增和甲氧基重排。这些发现揭示常见氧合酶具备催化非常规反应的能力，为工程化改造真菌meroterpenoid生物合成途径、开发新型药物先导物提供了酶学基础与策略指导。
创新点
发现了新型膜结合萜烯环化酶（Trt1、AdrI、AusL、AndB等），其不具有已知萜烯环化酶的保守天冬氨酸富集基序；揭示非血红素铁/α-酮戊二酸依赖性双加氧酶（AusE、AndA、AndF）催化螺内酯环形成、双环[2.2.2]辛烷构建等前所未有的碳骨架重排反应；发现多功能P450与新型异构酶Trt14协同催化D环扩增和甲氧基重排。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aspergillus fumigatus | pyripyropene A biosynthesis | pyr4 | Pyr4 | 催化 | 新型膜结合萜烯环化酶，保守酸性残基Glu63和Asp218为催化必需 |
| Aspergillus terreus | terretonin biosynthesis | trt1 | Trt1 | 催化 | 新型膜结合萜烯环化酶，催化(10'R)-环氧法尼基-DMOA甲酯环化，需底物羧基甲基化 |
| Penicillium chrysogenum | andrastin A biosynthesis | adrI | AdrI | 催化 | Trt1同源环化酶，从共同四环中间体脱去C-11质子生成6.6.6.5-稠合四环 |
| Aspergillus nidulans | austinol biosynthesis | ausL | AusL | 催化 | Trt1同源环化酶，从共同四环中间体脱去C-1'质子生成6.6.6.6-稠合四环 |
| Emericella varicolor | anditomin biosynthesis | andB | AndB | 催化 | 新型膜结合萜烯环化酶，与AtmB有47%同一性，催化(10'S)-环氧底物经椅-船构象生成五环产物 |
| Aspergillus nidulans | austinol biosynthesis | ausE | AusE | 催化 | Fe(II)/α-KG依赖性双加氧酶，催化氧化脱氢和螺内酯环形成；铁结合位点H130,D132,H214 |
| Aspergillus nidulans | austinol biosynthesis | ausB | AusB | 催化 | FMO依赖的5'-羟化酶，氧化protoaustinoid A生成berkeleystone A |
| Aspergillus nidulans | austinol biosynthesis | ausC | AusC | 催化 | FMO依赖的Baeyer-Villiger单加氧酶，在C-3和C-4间插入氧原子形成七元内酯 |
| Emericella varicolor | anditomin biosynthesis | andA | AndA | 催化 | Fe(II)/α-KG依赖性双加氧酶，催化双环[2.2.2]辛烷环形成的碳骨架重排；铁结合位点H135,D137,H213；体外需抗坏血酸 |
| Emericella varicolor | anditomin biosynthesis | andF | AndF | 催化 | Fe(II)/α-KG依赖性双加氧酶，催化最后一步生成anditomin的碳骨架重排 |
| Aspergillus terreus | terretonin biosynthesis | trt6 | Trt6 | 催化 | 多功能细胞色素P450单加氧酶，在B环上进行多步氧化生成不稳定中间体 |
| Aspergillus terreus | terretonin biosynthesis | trt14 | Trt14 | 催化 | 新型异构酶（<150 aa），催化D环扩增和甲氧基分子内重排 |
关键发现
- 膜结合萜烯环化酶约25 kDa，含7个跨膜螺旋，与已知环化酶序列相似性极低
- AndB与环化酶AtmB有47%的序列同一性，与Trt1等约30%同一性
- Trt14蛋白少于150个氨基酸
- AusE的铁结合关键残基为H130、D132、H214
- AndA的铁结合残基为H135、D137、H213
- Trt1环化需要底物羧基甲基化，否则环化不发生
- AndB催化(10'S)-环氧底物经椅-船构象产生6.6.6.6.5-稠合五环产物，而Trt1/AdrI/AusL催化(10'R)-环氧底物经椅-椅构象产生6.6.6.6-稠合四环中间体。
研究结论
真菌meroterpenoid生物合成途径富含独特酶反应和新型酶，常见氧合酶（P450、FMO、Fe(II)/α-KG依赖性双加氧酶）可催化非常规反应；膜结合萜烯环化酶和新型异构酶也显著促进结构多样化。对这些酶的结构-功能研究将为工程化改造生物合成机制、开发新型meroterpenoid药物先导物提供策略。