Genes and enzymes involved in bacterial isoprenoid biosynthesis
- 作者
- Martina Daum, Simone Herrmann, Barrie Wilkinson, Andreas Bechthold
- 单位
- Institut für Pharmazeutische Wissenschaften, Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie, Albert-Ludwigs-Universität; Biotica Technology Ltd
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2009）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2009.02.029
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解析细菌类异戊二烯（萜类）生物合成中涉及的基因、酶及其催化机制，特别是环化反应和后续修饰反应如何产生结构多样性。
研究策略
系统综述2006-2008年的文献，结合基因簇分析、酶学表征、同位素标记和晶体结构解析等手段，总结了细菌萜类生物合成的新进展。
核心内容
该文系统综述了2006至2008年间细菌类异戊二烯生物合成在基因和酶学层面的重要进展。通过基因簇分析、酶学表征、同位素标记及晶体结构解析，研究揭示了多项关键机制。其中，SCO6073编码的双功能germacradienol/geosmin合酶能以FPP为底物，利用N端与C端两个活性位点依次催化完成geosmin的完整转化；SCO5222被鉴定为epi-isozizane合酶，催化FPP环化生成albaflavenone生物合成的中间体。研究还发现，2-甲基异冰片的合成遵循先甲基化后环化的途径，即GPP经SAM依赖的C-甲基化生成(E)-2-甲基-GPP后再关环，而非此前认为的先环化后修饰。此外，PtlH晶体结构被解析至1.3 Å分辨率，属于Fe(II)/α-酮戊二酸依赖的双加氧酶。这些发现不仅阐明了萜类结构多样性的酶学基础，也为利用合成生物学手段在异源宿主中重构和改造萜类生物合成途径提供了明确的酶靶点与催化逻辑。
创新点
揭示了geosmin合酶的双功能催化机制；发现2-甲基异冰片生物合成中GPP先甲基化后环化的新途径；解析了多个pentalenolactone生物合成酶的功能和结构。
研究对象（21）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces coelicolor | geosmin biosynthesis | SCO6073 | germacradienol/geosmin synthase | 催化 | 双功能酶，N端催化FPP→germacradienol，C端催化germacradienol→geosmin |
| Streptomyces avermitilis | geosmin biosynthesis | — | germacradienol/geosmin synthase | 催化 | 与S. coelicolor同源，催化FPP转化为geosmin |
| Streptomyces coelicolor | albaflavenone biosynthesis | SCO5222 | epi-isozizane synthase | 催化 | 催化FPP环化生成epi-isozizane |
| Streptomyces coelicolor | albaflavenone biosynthesis | CYP170A1 | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 与SCO5222成簇，参与后续氧化步骤 |
| Streptomyces avermitilis | pentalenolactone biosynthesis | ptlA | pentalenene synthase | 催化 | 催化FPP转化为pentalenene |
| Streptomyces avermitilis | pentalenolactone biosynthesis | ptlI | cytochrome P450 monooxygenase | 催化 | 将pentalenene的13-甲基氧化为13-醛 |
| Streptomyces avermitilis | pentalenolactone biosynthesis | ptlH | non-heme iron dioxygenase | 催化 | 催化1-脱氧果糖酸羟基化，晶体结构分辨率1.3 Å |
| Streptomyces avermitilis | pentalenolactone biosynthesis | ptlF | short-chain dehydrogenase | 催化 | 催化1-脱氧-11-氧代果糖酸的形成 |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | plaT4 | geranylgeranyl diphosphate synthase | 催化 | 生成多异戊二烯链 |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | plaT2 | terpene cyclase | 催化 | 可能通过环氧引发环化 |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | plaT3 | prenyltransferase | 催化 | — |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | plaT1 | squalene epoxidase-like enzyme | 催化 | 将线性萜烯链环氧化 |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | plaT5 | 4-hydroxy-3-methylbut-2-en-1-yl diphosphate synthase | 催化 | MEP通路酶 |
| Streptomyces sp. Tu6071 | phenalinolactone biosynthesis | plaT6 | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate synthase | 催化 | MEP通路酶 |
| Nocardia terpenica | brasilicardin A biosynthesis | bra4 | cyclase | 催化 | — |
| Nocardia terpenica | brasilicardin A biosynthesis | bra5 | squalene epoxidase | 催化 | — |
| Streptomyces coelicolor | 2-methylisoborneol biosynthesis | — | C-methyltransferase | 催化 | 催化GPP的SAM依赖性C-甲基化生成(E)-2-甲基-GPP |
| Streptomyces coelicolor | 2-methylisoborneol biosynthesis | — | cyclase | 催化 | 环化(E)-2-甲基-GPP生成(E)-2-甲基异冰片 |
| Nannocystis exedens | 2-methylisoborneol biosynthesis | — | C-methyltransferase | 催化 | 同S. coelicolor |
| Escherichia coli | MEP pathway | — | 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase (DXR) | 催化 | 晶体结构已解析 |
| Mycobacterium tuberculosis | MEP pathway | ispD | 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate cytidyltransferase | 催化 | 已功能表征 |
关键发现
- SCO6073编码的双功能germacradienol/geosmin合酶能催化FPP到geosmin的完整转化，N端活性位点生成germacradienol，C端活性位点将其转化为geosmin
- 在Streptomyces coelicolor和Nannocystis exedens中，2-甲基异冰片由GPP经SAM依赖的C-甲基化生成(E)-2-甲基-GPP后再环化生成，而非先环化后甲基化
- SCO5222是epi-isozizane合酶，催化FPP环化生成epi-isozizane，为albaflavenone生物合成的中间体
- PtlH晶体结构解析至1.3 Å分辨率，属于Fe(II)/α-酮戊二酸依赖的双加氧酶
- phenalinolactone基因簇是目前已知最大的细菌萜类生物合成基因簇，包含GGPP合酶(plaT4)、萜环化酶(plaT2)、异戊烯基转移酶(plaT3)和类角鲨烯环氧酶(plaT1)
- terpentecin、napyradiomycin和furaquinocin基因簇包含完整的甲羟戊酸通路基因，而phenalinolactone和longestin基因簇则编码MEP通路的部分酶。
研究结论
过去五年中，细菌萜类生物合成基因簇的鉴定和测序为理解IPP来源、环化过程和修饰反应提供了宝贵信息，未来研究应聚焦于酶对活性中间体的选择性导向以及生物合成机器中酶的复杂相互作用。