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微生物所高书山研究组破解过氧化氢酶参与天然产物生物合成机制

麦角生物碱类化合物最早于上世纪从真菌中别离得到,并广泛发生于多种曲霉和青霉,被誉为最重要的临床药用分子和天然毒素(图1A),在欧美市场上被广泛用来医治癌症、偏头疼、产后大出血和帕金森症,FDA同意的上市药物有12种。研讨标明,麦角生物碱结构中的Ergoline四元环是该类化合物的药效团,它与神经递质的结构比较相似,能够特异性结合人脑中的各种神经递质受体。自20世纪50年代以来,药效团Ergoline环中的C环生物组成机制一直是各国科学家的研讨要点,在该范畴宣布了很多论文,长辈科学家的研讨证明了EasC和EasE两个蛋白参加了C环的生物组成(图1B),可是详细的分子生物学与酶学机制依然没有解析清楚。

图1:(A)麦角生物碱类药物;(B)中心碳环构成

烟曲霉(Aspergillus fumigatus)能够发生麦角生物碱fumigaclavine C(图2A),而且其生物组成基因簇现已被报导。麦角生物碱化合物以色氨酸为开始,在途径组成的榜首步酶(异戊烯基转移酶DmaW)和第二步酶(甲基转移酶EasF)催化下组成1。酵母和构巢曲霉中异源表达前四个基因(dmaW、easF、easE和easC),能够得到化合物2。可是体外从1到2是怎么转化的却未见报导。本文研讨者就这一悬而未决的科学问题展开了研讨。

ag直营厅|官方生物信息学剖析EasE是一个FAD依靠的氧化酶,研讨者估测其为下一步的催化酶,所以在构巢曲霉中共表达dmaW,easF和easE三个基因,发生了一个新化合物4(图2B)。将4喂食烟曲霉ΔdmaW菌株,则修正了3的发生,证明4是途径中的中间体。同源蛋白序列比对发现,EasC与过氧化氢酶(catalase)中的小亚基宗族(SSC)高度同源,可是又具有多个不同的保存氨基酸位点。聚类剖析发现,EasC蛋白处于一个独立的分支。这些成果都标明EasC或许不仅仅具有过氧化氢酶活性。此外蛋白同源建模发现,该蛋白含有与SSC相似的heme和NADPH结合位点。因而研讨者估测EasC在化合物2的组成中具有重要功用。所以,研讨者将easC,dmaW,easF和easE基因一起表达于构巢曲霉中,HPLC剖析发现发生了新化合物,NMR结构判定该化合物的确是化合物2。接着,研讨者在大肠杆菌中纯化得到了可溶性的EasC蛋白,EasC能够在体外分化过氧化氢,验证了其过氧化酶活性。因为研讨报导的过氧化氢酶和过氧化物酶均使用过氧化氢作为氧化剂,催化氧化复原反响的进行。可是研讨者使用各种生化反响手法,包含反响系统增加或不增加过氧化氢、无氧催化、有氧催化、同位素标记(18O2和H218O)等,在体外发现EasC蛋白是使用氧气作为氧化剂,而不是过氧化氢,区域和对映体选择性催化两个非活化的sp3 碳构成C-C键,并估测了EasC的催化机制,完整地解析了临床重要药物前体四环麦角生物碱的中心碳环构成机制。

图2:EasC是一种全新类型的双功用酶

本篇文章报导的过氧化氢酶EasC代表了一种全新类型的生物催化剂,它是自然界首个一起具有过氧化氢酶和单加氧酶活性的蛋白(图2B)。本项目处理了该类药物研讨中半个多世纪以来悬而未决的难题,将为该类药物的工业菌株优化、代谢工程改造等研讨打下坚实基础。该研讨成果已在Journal of the American Chemical Society(JACS)杂志在线宣布,题为“A Catalase Involved in Oxidative Cyclization of the Tetracyclic Ergoline of Fungal Ergot Alkaloids”。中科院微生物研讨所助理研讨员姚永鹏博士和博士后安春艳博士为论文一起榜首作者,中科院微生物研讨所高书山研讨员和加州大学洛杉矶分校K. N. Houk教授为一起通讯作者。该作业遭到科技部要点研制方案、中科院先导专项、自然科学基金委面上和青年项目以及我国科学院青年促进会会员项目的经费支撑。

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