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| 中國海洋大學(xué)在微生物天然產(chǎn)物“酶—非酶”協(xié)同催化領(lǐng)域取得新進展 |
| http://www.telavivconventioncenter.com 2025年10月18日 來源：華禹教育網(wǎng) |
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近日，中國海洋大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院、青島海洋科技中心海洋藥物與生物制品實驗室、海洋藥物教育部重點實驗室王乂和朱偉明教授團隊，在國際知名學(xué)術(shù)期刊Science Advances在線發(fā)表題為“A unique mechanism involving cocatalysis of enzyme and nonenzyme to form β-carboline and spirotryprostatins in Aspergillus fumigatus”（煙曲霉中一種酶–非酶協(xié)同催化形成β-carboline和spirotryprostatins類化合物的獨特機制）的研究文章。該研究首次揭示了pH脅迫下真菌吲哚生物堿骨架“酶—非酶”協(xié)同催化新機制，為天然產(chǎn)物高效發(fā)現(xiàn)與藥物先導(dǎo)化合物的挖掘提供了新思路。
天然產(chǎn)物一直以來都是藥物的重要來源，吲哚生物堿因其多樣的結(jié)構(gòu)和廣泛的生物活性（如抗菌、抗腫瘤、抗病毒等）而備受關(guān)注。其中，β-carboline（βCs）和spirotryprostatins（STs）兩類天然吲哚分子的生物合成途徑研究相對較少。βCs只有3種Pictet–Spengler骨架形成酶有報道，同時STs僅知FqzB/FtmG與螺環(huán)形成有關(guān)且部分假說缺乏實驗佐證，而且pH等環(huán)境因子如何驅(qū)動其結(jié)構(gòu)多樣性亦未闡明。
研究團隊以海洋紅樹林來源耐酸曲霉為研究對象，模擬天然酸脅迫環(huán)境進行發(fā)酵，通過系統(tǒng)的代謝產(chǎn)物分離純化、波譜學(xué)結(jié)構(gòu)解析與量子化學(xué)計算，捕捉并鑒定得到一類結(jié)構(gòu)罕見的開環(huán)β-咔啉化合物SFs。進一步調(diào)節(jié)pH至中性，發(fā)現(xiàn)了含有雙鍵的關(guān)鍵中間體Db-FTs。酸—堿“兩副面孔”讓研究人員意識到，pH是調(diào)控骨架走向的“隱形開關(guān)”。基因組分析揭示這些化合物的合成受一段含有P450酶編碼基因ftmG的生物合成基因簇調(diào)控。為探明其生物合成機制，研究團隊通過基因敲除與異源表達實驗，明確了FtmG是途徑中的關(guān)鍵催化酶。FtmG能將飽和型底物Sb-FTs氧化生成雙鍵中間體Db-FTs及雙羥基中間體Dh-FTs，但并不直接催化生成STs或SFs。隨后，研究人員在體外重構(gòu)體系中發(fā)現(xiàn)，這些氧化中間體在不同pH條件下可自發(fā)產(chǎn)生截然不同的化學(xué)轉(zhuǎn)化。在中性環(huán)境中，經(jīng)氧氣參與的分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)生成螺環(huán)產(chǎn)物STs；而在酸性條件下，則經(jīng)酰胺鍵斷裂與分子重排生成開環(huán)型β-咔啉衍生物SFs。進一步的同位素示蹤和酶催化對照實驗表明，這些關(guān)鍵轉(zhuǎn)化步驟并非由酶直接催化，而是由FtmG生成的高能中間體在特定環(huán)境條件下自發(fā)完成的非酶促反應(yīng)，體現(xiàn)出“酶促氧化激活+環(huán)境條件誘導(dǎo)重排”的協(xié)同機制。研究還通過分子對接與定點突變鑒定出FtmG活性位點中的關(guān)鍵殘基 Arg292與Cys442，在控制底物定位及選擇性氧化中發(fā)揮核心作用。基于此機制，研究人員進一步在體外條件下調(diào)控pH與氧環(huán)境，實現(xiàn)了多種FtmG產(chǎn)物的可控轉(zhuǎn)化，成功復(fù)現(xiàn)了體內(nèi)生成STs與SFs的過程（圖1）。
圖1 本研究涉及的生物合成途徑總結(jié)示意圖
研究發(fā)現(xiàn)，新型SFs類化合物在斑馬魚胚胎模型中能夠明顯抑制新生血管的形成，同時對紅細胞生成過程具有顯著的抑制作用，且在多種哺乳動物細胞系中均未表現(xiàn)出明顯的細胞毒性，提示該類化合物的作用機制可能區(qū)別于傳統(tǒng)的細胞毒性抗腫瘤藥物，具有開發(fā)為新型非細胞毒抗腫瘤藥物先導(dǎo)分子的潛在應(yīng)用價值。本研究不僅拓寬了P450酶的催化版圖，也首次用實驗證據(jù)系統(tǒng)闡明了pH驅(qū)動天然產(chǎn)物骨架多樣性的機制，為海洋乃至陸地微生物來源的天然藥物發(fā)現(xiàn)和生物合成途徑重構(gòu)提供了重要啟示。
圖2 研究團隊合影（第三排中間為王乂教授，第三排左起第四位為朱偉明教授）
中國海洋大學(xué)為該研究的第一完成單位和唯一通訊單位，中國海洋大學(xué)畢業(yè)博士生高海與博士研究生于登為共同第一作者，王乂教授和朱偉明教授為共同通訊作者，研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目資助。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz2319
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