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捷克科学院JACS|F420H2依赖性还原酶的催化水平决定生物学靶标的适应性-苯二氮卓类和林可酰胺类生物合成研究

已有 437 次阅读 2020-2-10 09:48 |个人分类:酶学机制|系统分类:论文交流| 生物合成, F420H2依赖性还原酶


1遇见/摘要

       F420H2依赖性还原酶Apd6参与PBDs(pyrrolobenzodiazepines)lincomycinhormaomycingriselimycin等活性分子关键中间体4-烷基-I-脯氨酸衍生物(4-alkyl-l-proline derivatives, APDs)的生物合成,作者将各种Apd6进行异源过表达,发现参与PBD和hormaomycin生物合成的Apd6(Pro15/SibT, HrmD)只能催化底物的环内亚胺双键,而lincomycin和部分griselimycin生物合成中的Apd6(LmbY, GriH)还可以还原惰性的环外双键。Apd6的催化水平决定了lincomycin的完全饱和APD骨架以及PBDs的不饱和APD骨架的形成机制,这为二者结合其独特的生物学靶标提供了最佳的分子形态。生信分析表明,Apd6及其同源物广泛分布在几个细菌门中,表明l-脯氨酸样前体掺入了一些天然产物中并可能在微生物核心代谢中起作用这为发掘新的未知的天然产物提供了助力。



2遇见/内容


       放线菌代谢产物结构不同、功能各异,如:吡咯并苯二氮卓类抗肿瘤化合物(pyrrolobenzodiazepines, PBDs),林可酰胺类抗生素,群体感应分子hormaomycin和抗菌素griselimycin(Fig. 1A)这些化合物的共同特征是在其结构中掺入了酪氨酸或I-亮氨酸衍生的4-烷基-I-脯氨酸衍生物(l-tyrosine- or l-leucine-derived 4-alkyl-l-proline derivatives, APDs)骨架PBD代表了一类序列选择性DNA烷基化剂,能够与DNA小沟结合从而行使卓越的抗肿瘤活性,目前已有几种基于PBD的抗癌药物正在进行临床前/临床试验中评估。林可酰胺则通过结合50S核糖体亚基的肽转移酶位点来抑制细菌蛋白质合成。有文献报道:在PBD和林可酰胺类药物中,APD侧链对生物活性具有积极作用。


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Figure 1. (A) Metabolites with an APD moiety (in red), for which BGCs  (B) are published and Apd6 proteins were characterized. The apd gene sub-clusters are colored (apd1-apd5 in blue,apd6 in red).


       除了griselimycin的BGC以外,PBD,lincosamides,hormaomycin的BGC中都包含一个5至6个基因的亚簇(Fig. 1B),这些基因编码由Apd1-Apd6蛋白催化的L-酪氨酸衍生的APD生物合成途径。这些生合途径由将L-酪氨酸转化为二羧酸开始。先前鉴定化合物5是林可霉素生物合成的一个中间体,这暗示化合物5可能为林可霉素和PBDs生物合成中Apd6还原酶的底物。与PBD,lincosamides,hormaomycin不同,griselimycin的APD由L-亮氨酸衍生而来,该生物合成途径由三个基因编码(Scheme 1)


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Scheme 1. (A) Proposed scheme of the L-tyrosine-derived APD biosynthetic pathway. (B) Scheme of the L-leucinederived APD biosynthetic pathway, which involves Apd6 GriH from griselimycin biosynthesis.


研究人员将Apd6进行异源过表达,发现参与PBD和hormaomycin生物合成的Apd6(Pro15/SibT, HrmD)只能催化底物的环内亚胺双键,而lincomycin和部分griselimycin生物合成中的Apd6(LmbY, GriH)还可以还原惰性的环外双键。证明Apd6是F420H2依赖性还原酶,催化APD生物合成的最后一步(Fig. 2)


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Figure 2. In vitro reactions with the 5a substrate converted by Apd6 proteins: (A) LmbY from lincomycin biosynthesis, (B) Por15 from PBD biosynthesis, (C) HrmD from hormaomycin biosynthesis, and (D) GriH from griselimycin biosynthesis.


Apd6催化的还原水平不同,导致APD的多样性,因此APD化合物中APD部分的形状也不同(Fig. 1A)。在大多数带有C3侧链的APD中(此处指PBD),环外双键是形成共轭双键体系的必要前提。这些不饱和的APD部分使得分子形成略微扭曲的形状,从而完美地适合其靶标DNA的小沟(Fig. 3A)。相反,林可霉素APD的完全饱和烷基侧链对于有效干扰核糖体21的A位点中的t-RNA结合很重要(Fig. 3B)


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Figure 3. Crystal structures of (A) PBD anthramycin covalently bound to DNA strands and (B) lincomycin targeting the peptidyl transferase center in the 50S ribosomal subunit ofStaphylococcus aureus.

那么造成APD的多样性的潜在机制是什么? 本文提出:在Por15,SibT,Lim12和HrmD的情况下,底物的攻击可能发生在C-5位置,而环外双键保持不变(Scheme 2A)。相比之下,LmbY必须催化两个氢化物转移以还原两个双键。随后研究人员以7a底物测试了LmbY催化能力,发现LmbY不能还原该化合物的双键。表明LmbY首先催化C-7处的氢转移形成12,导致C-5处的氢减少,从而生成完全饱和的产物(Scheme 2B)


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Scheme 2. Proposed distinct catalytic mechanisms of Apd6 from (A) PBD, hormaomycin, griselimycin; and (B) from lincomycin and griselimycin biosyntheses. All tested Apd6 accept5a as a substrate.

       本文通过系统发育分析表明:Apd6是来自LLHT超家族的第一个特征化链霉菌F420/ F420H2依赖性酶同时也是第一个LLHT F420/F420H2依赖性蛋白。研究人员还通过生信分析鉴定了数十种推测的Apd6蛋白,这些蛋白可能与新型APD化合物的生物合成有关,并且可能与各种L-脯氨酸样前体的生物合成和代谢过程有关。
       本文报告了APDs生物合成途径的最终步骤,详细解析了由F420H2依赖的Apd6还原酶催化相同底物而形成不同APD的原因。Apd6的催化差异性决定了lincomycin的完全饱和APD骨架以及PBDs的不饱和APD骨架的形成机制,这为二者结合其独特的生物学靶标提供了最佳的分子形态。


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本期参考文献:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b11234


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