庚糖是细菌多糖、糖蛋白和许多天然产物的重要组成部分，它在细菌的免疫识别和毒力以及天然产物的生物活性中发挥着重要作用。目前已知含庚糖的细菌天然产物，根据庚糖的结构分为含呋喃庚糖、高度还原呋喃庚糖、D-吡喃庚糖和L-吡喃庚糖的四大类。Septacidins（SEPs）、anicemycin和spicamycins是一类结构中包含L-吡喃庚糖的核苷类抗生素，它们均由独特的N6位L-氨基庚糖-腺嘌呤核心和甘氨酰-脂肪酰侧链组成。SEP可作为免疫原性细胞死亡的诱导剂，并对皮肤病原真菌如絮状表皮癣菌和须癣毛癣菌表现出显著的抑制活性。Anicemycin 是肿瘤细胞非依赖锚定生长的抑制剂。Spicamycin具有显著的抗肿瘤活性，其衍生物之一KRN5500作为肿瘤抑制剂进入I期临床试验，并以抑制神经性疼痛的作用进入II期临床研究。
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。
微生物所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）。
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。
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.
