陈义华研究组和吴边研究组合作发现VOC家族糖异构酶参与庚糖的生物合成

　　前期工作中，研究组在异源宿主灰白色链霉菌中表达了sep生物合成基因簇并确定SEP中的L-氨基庚糖来源于景天庚酮糖-7-磷酸（S7-P）（Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018,115(11):2818-2823）。S7-P在被活化为ADP-L-甘油-β-D-甘露-庚糖后转移到一磷酸腺嘌呤（AMP）的N6位形成SEP-540（1），SepF将1中的5-磷酸核糖水解后生成含L-甘油-α-D-甘露庚糖（L,D-甘露-庚糖）部分的SEP-328（2）（图1）（Org. Lett.2020, 22(13):5251-5254）。此外，体内研究表明SepH负责将N4'-甘氨酰基团连接至SEP-327（3）上，SepD负责装载脂肪酰侧链（图1）。本研究解析了SEP结构中特殊的4'-氨基-4'-脱氧-L-甘油-β-L-葡萄-庚糖（L,L-葡萄-氨基庚糖）部分的形成机制，完整地描绘了庚糖杀菌素类化合物的生物合成过程。

　　陈义华研究组和吴边研究组合作，结合天然产物化学、生物化学和计算生物学等手段研究发现，SepI通过氧化L,D-甘露庚糖（2）的4？-羟基形成酮基启动L-氨基庚糖的合成过程。随后，SepJ（C5位差向异构酶）和 SepA（C3位差向异构酶）分别催化庚糖5？和3？位的差向异构化形成4'-酮基-L-甘油-L-吡喃庚糖（8）。最后，SepG催化氨基转移至庚糖4'-酮基上生成L,L-葡萄-氨基庚糖（3）。在该合成过程中意外地发现，含4'-酮基-L-吡喃庚糖的SEP中间体可自发形成具有半缩醛-半缩酮特殊双环糖的稳定形式而存在（5和7）。

 

图1庚糖杀菌素的生物合成途径

 

　　SepA是一类新型的单功能L-吡喃糖C3位差向异构酶。对SepA进行建模和实验探究表明，它属于邻位氧螯合（VOC）家族蛋白（图2A）。根据氘代溶剂交换实验、底物与蛋白的分子对接和关键氨基酸位点突变的结果，研究团队推测SepA差向异构化的催化机理是金属离子依赖的去质子化和再质子化过程（图2 B和C）。此外，团队还发现SepA类蛋白与其他家族的差向异构酶处于不同的进化分支（图3 A），代表了一类全新的金属依赖的糖差向异构酶。另外，SepA的同源蛋白不仅广泛分布在含庚糖合成酶和糖基转移酶的基因簇中，还可能参与其它糖的合成（图3B）。

　　综上，研究团队破译了SEPs合成中L-氨基庚糖部分的生物合成机制，解析了过程中发现的一类特殊的糖差向异构酶的结构和催化机制。为通过合成生物学手段产生多种SEP类似物，促进含L-庚糖药物的开发奠定了坚实的基础。

 

　　　图2 （A）SepA的结构；（B）SepA与底物的结合模式；（C）SepA的催化机制

 

 

　　图3（A）SepA类异构酶的系统发育分析；（B）SepA类异构酶在不同基因簇中的分布

 

　　2022年8月3日，该研究以Insights into the biosynthesis of septacidin L-heptosamine moiety unveils a VOC family sugar epimerase为题，在Acta Pharmaceutica Sinica B正式刊出。陈义华研究组博士生陈萌、副研究员郭正彦博士（现于中国医学科学院北京协和医学院药物生物技术研究所工作）和吴边研究组硕士生孙瑨原为论文并列第一作者，陈义华研究员和吴边研究员为论文共同通讯作者。研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金和面上项目的资助。

　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211383522002556?via%3Dihub.