一种将硫安装到复杂分子中的新方法

诸平

Scientists working in the lab of Ben Shen, PhD, at Scripps Research, Florida have found a new family of sulfur-installing enzymes by mining the genomes of bacteria in their microbial strain collection. Credit: Scott Wiseman for Scripps Research.

Fig. 1: GNM biosynthesis as a model for the LNM family of natural products featuring a thiocysteine lyase as a PKS domain that directly installs an -SSH group into the GNM hybrid peptide–polyketide scaffold.

Fig. 5: Leveraging the SH domains as biocatalysts to install an -SSH group into varying peptide scaffolds. 

据美国斯克里普斯研究所（The Scripps Research Institute）2021年10月1日提供的消息，该研究所的科研人员找到了一种将硫安装到复杂分子中的新方法（A novel method for installing sulfur into complex molecules）。

一组被称为过硫化合物（persulfides）的高度活性化合物引起了生物化学家的极大好奇，因为它们在自然界中的作用，以及它们如何与蛋白质相互作用，改变其结构和功能，影响健康、衰老和疾病过程。然而，由于过硫化合物的不稳定性，研究过硫化合物及其影响具有挑战性。过硫化合物一旦生成，就需要在充分研究之前与附近的分子发生反应。

佛罗里达斯克里普斯研究所的一项新研究，于2021年9月28日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Song Meng, Andrew D. Steele, Wei Yan, Guohui Pan, Edward Kalkreuter, Yu-Chen Liu, Zhengren Xu, Ben Shen. Thiocysteine lyases as polyketide synthase domains installing hydropersulfide into natural products and a hydropersulfide methyltransferase. Nature Communications, Volume 12, Article number: 5672. DOI: 10.1038/s41467-021-25798-8. Published: 28 September 2021. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25798-8

此文揭示了一种以前未被认识到的方法，即大自然通过产生有助于硫放置的酶来解决这个问题，并利用过硫化物。这一发现为研究人员提供了一种在实验室中生成潜在重要的硫基分子的新方法，并为破解自然界一个迷人的生物之谜提供了答案:硫是如何首先融入复杂分子（complex molecules）的？

硫是第五大最常见的生命元素，然而大自然使用相对较少的机制将它安装到小分子中，沈犇（Ben Shen音译）教授说。沈犇是美国佛罗里达州丘比特斯克里普斯研究所化学研究室主任，也是该研究的通讯作者。长期以来，他一直想知道在某些有限的机制下，硫原子是如何融入到他所研究的有趣化合物的结构中的，包括广南霉素（guangnanmycin）和莱那霉素（leinamycin）。

1989年首次发现的莱那霉素是一种天然物质，具有抗菌和抗癌的特性。在不断增加的微生物菌株收集的帮助下，沈犇和他的团队在2017年发现了几十个成员，这些成员实际上是自然界中一个庞大的莱纳霉素变异家族。沈犇教授发现，莱那霉素分子中的两个硫是其抗癌活性的关键。

最近，佛罗里达斯克里普斯研究所(Scripps Research Florida)收购了世界上最大的微生物菌种之一，这为沈犇的研究小组提供了一种新的方法，通过对新型酶——大自然的催化剂的定向搜索来研究这个问题。这个过程包括培养更多的感兴趣的菌株，然后对它们的遗传物质进行测序和分析，寻找酶的迹象。

沈犇说：“我们现在发现了一种新的机制，通过这种机制，自然界将两个硫原子同时安装到一个小分子中，克服了它们不稳定的长期挑战。这一特别的发现说明了我们的天然产品菌株是多么强大，以及它们如何促使我们能够做一些创新之举。

佛罗里达斯克里普斯研究所的天然产品收集包括超过12.5万株细菌，这些细菌是在链霉素被发现后的几十年里由世界各地的研究小组收集的。土壤中的细菌必须进化出多种多样的、具有生物活性的自然产物，才能在一个充满敌意和竞争的世界中生存。这些天然产物如果能被发现、研究和理解，就有巨大的潜力作为药物或其他用途，沈犇说。

该论文的第一作者孟松（Song Meng音译）博士说，构建这些分子需要细菌自身发挥化学家的作用，有时会设计出创新的过程，比如新的催化酶。“对天然产物的研究使我们能够探索大自然如何使用简单的构件来构建人类所见过的最复杂的结构，这为酶的发现和整个有机化学领域的潜在影响提供了机会。”

通过学习自然如何生成天然产物，沈犇实验室的研究人员旨在启发未来在微生物学、生物技术、有机化学和药物化学等不同领域的努力。该研究的合著者孟松和安德鲁·斯蒂尔（Andrew Steele）博士回忆了他们知道自己将实现目标的那一刻。

安德鲁·斯蒂尔说：“我们一直在不知疲倦地生产不稳定的过硫化物。它们会降解成难闻的硫化氢，所以当我们第一次闻到臭鸡蛋的气味时，我们就知道我们已经取得了突破！”

不久之后，他们发现了硫半胱氨酸裂解酶（thiocysteine lyases），这是一个以前不为人知的酶家族，大自然利用它来制造过硫化合物，作为构建整个莱那霉素家族天然产物的关键中间体。

这篇论文的合著者Edward Kalkreuter博士补充说，天然产品的收集是他们成功的关键。他补充说:“传统上一次只能研究一种生物合成途径，但我们的菌株收集现在让我们能够发现进化相关的家族，从而同时比较和评估许多相似的途径。”

他们认为，这些酶在未来可能会有广泛的潜在应用。安德鲁·斯蒂尔说:“在许多基础和疾病相关的生化系统中都发现过硫化合物，但在合成化学领域中，只有少数几种专门的方法可以产生过硫化合物。我们发现大自然为我们提供了解决这个问题的方法。”

他们说，当前的发现丰富了设计含硫化合物所需的工具箱，并为合成生物学家开发全新类别的分子，以影响化学、生物学和医学铺平了道路。沈犇说：“我已告诉我的学生，如果你想发现什么，去发现大自然是如何做到的，这就能提供解决方案。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。 

Abstract

Nature forms S-S bonds by oxidizing two sulfhydryl groups, and no enzyme installing an intact hydropersulfide (-SSH) group into a natural product has been identified to date. The leinamycin (LNM) family of natural products features intact S-S bonds, and previously we reported an SH domain (LnmJ-SH) within the LNM hybrid nonribosomal peptide synthetase (NRPS)-polyketide synthase (PKS) assembly line as a cysteine lyase that plays a role in sulfur incorporation. Here we report the characterization of an S-adenosyl methionine (SAM)-dependent hydropersulfide methyltransferase (GnmP) for guangnanmycin (GNM) biosynthesis, discovery of hydropersulfides as the nascent products of the GNM and LNM hybrid NRPS-PKS assembly lines, and revelation of three SH domains (GnmT-SH, LnmJ-SH, and WsmR-SH) within the GNM, LNM, and weishanmycin (WSM) hybrid NRPS-PKS assembly lines as thiocysteine lyases. Based on these findings, we propose a biosynthetic model for the LNM family of natural products, featuring thiocysteine lyases as PKS domains that directly install a -SSH group into the GNM, LNM, or WSM polyketide scaffold. Genome mining reveals that SH domains are widespread in Nature, extending beyond the LNM family of natural products. The SH domains could also be leveraged as biocatalysts to install an -SSH group into other biologically relevant scaffolds.