Bacterial diterpene synthases: new opportunities for mechanistic enzymology and engineered biosynthesis
- 作者
- Michael J Smanski, Ryan M Peterson, Sheng-Xiong Huang, Ben Shen
- 单位
- Microbiology Doctoral Training Program, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53705, USA; Division of Pharmaceutical Sciences, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53705, USA; Department of Chemistry, The Scripps Research Institute, Jupiter, FL 33458, USA; Department of Molecular Therapeutics, The Scripps Research Institute, Jupiter, FL 33458, USA; Natural Products Library Initiative at The Scripps Research Institute, The Scripps Research Institute, Jupiter, FL 33458, USA
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2012）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2012.03.002
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
细菌二萜合酶(DTS)的序列多样性使得其发现和机制研究面临挑战，同时其在工程化生物合成中的潜力有待挖掘。
研究策略
系统综述已发现的细菌二萜类天然产物及其生物合成途径，重点比较细菌与真核DTS的序列和结构差异，分析发现新DTS的困难，并展示利用模块化DTS组合在大肠杆菌中生产多类二萜骨架的工程策略。
核心内容
该综述系统梳理了细菌二萜合酶的多样性及其在机制酶学与工程化生物合成中的潜力。作者比较了细菌与植物、真菌来源的I型二萜合酶，发现细菌I型合酶平均序列同一性仅约13%，显著低于植物（28%）和真菌（25%），且部分酶如ent-atiserene合酶缺乏经典DDXXD和NSE/DTE催化基序，代表一个此前未识别的酶家族。在工程应用方面，研究展示了将3种II型合酶（生成ent-CPP、syn-CPP、normal-CPP）与多种I型合酶组合在大肠杆菌中表达，成功生产9种二萜，涵盖8种不同骨架，这些骨架是超过2000种已知二萜天然产物的合成起点。此外，通过异源表达ent-kaurene合酶等基因，将platencin生产者转化为platensimycin/platencin双产菌株，证明二萜合酶模块化组合可有效产生结构多样性。这些发现表明细菌二萜合酶序列多样性远超预期，其可溶性表达和模块化组装优势为萜类环化机制研究和微生物细胞工厂开发提供了新机遇。
创新点
['指出细菌I型DTS平均序列同一性仅约13%，显著低于植物(28%)和真菌(25%)，并发现非典型催化基序如ent-atiserene合酶缺乏经典DDXXD和NSE/DTE基序。', '提出基于基因簇共定位和GGDP合酶预测等策略发现新细菌DTS。', '演示了DTS模块化组合在E. coli中生产多种二萜骨架，为工程化生产超过2000种天然二萜提供入口。']
研究对象（17）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces griseolosporus MF730-N6 | terpentecin biosynthesis | cyc1 | terpentedienyl diphosphate synthase (Cyc1) | 催化 | 第一个被表征的细菌II型DTS，将GGDP转化为terpentedienyl diphosphate，含DXDD基序。 |
| Streptomyces griseolosporus MF730-N6 | terpentecin biosynthesis | cyc2 | terpentetriene synthase (Cyc2) | 催化 | 第一个被表征的细菌I型DTS，将terpentedienyl diphosphate转化为terpentetriene，含DDXXD和NSE/DTE基序。 |
| Mycobacterium tuberculosis H37Rv | tuberculosinol/isotuberculosinol biosynthesis | Rv3377c | halimadenyl diphosphate synthase | 催化 | II型DTS，含DXDD基序，产生halimane骨架。 |
| Mycobacterium tuberculosis H37Rv | tuberculosinol/isotuberculosinol biosynthesis | Rv3378c | tuberculosinol/isotuberculosinol synthase | 催化 | I型DTS，保留DDXXD但缺乏NSE/DTE基序。 |
| Streptomyces sp. KO-3988 | viguiepinol/oxaloterpin biosynthesis | ORF2 | ent-CPP synthase | 催化 | II型DTS，含DXDD基序，产生ent-CPP。 |
| Streptomyces sp. KO-3988 | viguiepinol/oxaloterpin biosynthesis | ORF3 | pimaradiene synthase | 催化 | I型DTS，将ent-CPP转化为pimaradiene。 |
| Bradyrhizobium japonicum | gibberellin biosynthesis | BjCPS | ent-CPP synthase | 催化 | II型DTS，含DXDD基序。 |
| Bradyrhizobium japonicum | gibberellin biosynthesis | BjKS | ent-kaurene synthase | 催化 | I型DTS，将ent-CPP转化为ent-kaurene。 |
| Streptomyces platensis MA7327 | platensimycin/platencin biosynthesis | PmtT2 | ent-CPP synthase | 催化 | II型DTS，含DXDD基序，参与platensimycin生物合成。 |
| Streptomyces platensis MA7327 | platensimycin/platencin biosynthesis | PmtT3 | ent-kaurene synthase | 催化 | I型DTS，将ent-CPP转化为ent-kaurene。 |
| Streptomyces platensis MA7327 | platensimycin biosynthesis | PmtT1 | ent-atiserene synthase | 催化 | I型DTS，缺乏经典DDXXD和NSE/DTE基序，含两个非典型DDXXD基序。 |
| Streptomyces platensis MA7339 | platencin biosynthesis | PtnT2 | ent-CPP synthase | 催化 | II型DTS，含DXDD基序。 |
| Streptomyces platensis MA7339 | platencin biosynthesis | PtnT1 | ent-atiserene synthase | 催化 | I型DTS，缺乏经典DDXXD和NSE/DTE基序，含两个非典型DDXXD基序。 |
| Streptomyces melanosporofaciens MI614-43F2 | cyclooctatin biosynthesis | CotB2 | cyclooctat-9-en-8-ol synthase | 催化 | I型DTS，将GGDP转化为cyclooctat-9-en-8-ol。 |
| Nocardia brasiliensis IFM 0406 | brasilicardin A biosynthesis | Bra4 | brasilicardin A DTS | 催化 | 非典型II型DTS，其DXDD基序被(E/D)SA(E/N)替代，可能通过环氧质子化起始环化。 |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | PlaT2 | phenalinolactone DTS | 催化 | 非典型II型DTS，其DXDD基序被(E/D)SA(E/N)替代，可能通过环氧质子化起始环化。 |
| Escherichia coli | engineered diterpene biosynthesis | pGGeC, pGGnC, pGGsC | 工程化的II型DTS | 催化 | 模块化表达系统中三种II型DTS分别生成ent-CPP、normal-CPP和syn-CPP。 |
关键发现
['萜类总数约60000种，其中二萜约12000种，细菌来源的相对较少但潜力巨大。', '已鉴定出16个细菌DTS，其中I型DTS平均成对序列同一性仅13%，任意比对不超过20%，而植物和真菌I型DTS分别为28%和25%。', '单个二萜合成酶可产生超过50种产物，如γ-humulene synthase可产生52种不同产物。', '在E. coli中组合3种II型DTS（生成ent-CPP、syn-CPP、normal-CPP）和多种I型DTS，成功生产9种二萜，代表8种不同骨架，这些骨架是超过2000种已知二萜天然产物的合成起点。', 'ent-atiserene合酶(PmtT1/PtnT1)缺乏经典DDXXD和NSE/DTE基序，代表一个此前未识别的细菌I型DTS家族。', '通过异源表达ent-kaurene合酶及相关基因，将platencin生产者S. platensis MA7339转化为platensimycin/platencin双产菌株SB12604，证明DTS模块化可用于产生结构多样性。']
研究结论
细菌是二萜类化合物的重要生产者，其DTS在序列和催化机制上具有显著多样性，为理解萜类环化机制提供了新素材。细菌DTS的可溶性表达和易于操作等优势，使其在机制酶学、生物催化和代谢途径工程中具有广阔应用前景。未来表征更多细菌DTS将拓展二萜骨架空间，助力药物发现和生物技术应用。