上海有機所生物合成，海洋抗腫瘤環肽天然產物

　　隨著基因組測序技術和生物信息學分析技術的快速發展，天然產物的生物合成研究發展迅速，大量的生物合成基因簇被挖掘和報道。核糖體肽類天然產物由于其獨特的生物合成邏輯、新穎復雜的化學結構和多樣的生物、生理活性在天然產物中成為獨特的類群，其生物合成研究也引發了廣泛的關注。目前對其中獨特的生物合成酶類的挖掘、酶學機制的研究以及新功能化合物的發現與創造是近年來關注的熱點。

　　上海有機所唐功利研究員課題組近期在海洋微生物Thermoactinomyces sp. YM3-251中產生的核糖體肽類天然產物Mechercharmycin A（MCM-A）的生物合成方面取得了新的進展。研究人員首先通過生物信息學分析、結構比對等方式，猜測了該化合物可能是核糖體肽類天然產物，隨后研究人員根據其結構信息，推測其潛在的核心肽序列為FIVSSSCS，并在原始產生菌中鎖定了一個潛在的生物合成基因簇mcm。由于原始菌株難以進行基因操作，研究人員嘗試將基因簇mcm在Bacillus subtilis 168中進行異源表達，在添加強啟動子pLaps后，成功在發酵產物中檢測到MCM-A，對mcm的所有基因進行基因敲除實驗，驗證了基因簇內各基因與MCM-A生物合成的相關性；通過游離表達前體肽基因提高了MCM-A的產量，使其遠高于天然產量，滿足了研究需求。進一步利用該異源表達體系，研究人員通過組合生物合成策略成功地獲得了17和18兩個結構發生改變并且生物活性與MCM-A相似的化合物。

　　由于前體肽在枯草芽孢桿菌異源表達體系中快速降解，各個基因敲除突變株并未提供更多有效的中間體與修飾后前體肽的信息，研究人員通過在大腸桿菌中進行后修飾基因與前體肽基因共表達、分步重構的策略，驗證了該天然產物的生物合成過程是由一個tRNAGlu依賴位點特異性的的脫水酶McmL引發的，隨后YcaO超家族蛋白McmD1、D2在McmB以及McmC的共同作用下，實現對發生脫水反應的前體肽從N端到C端的連續的4個噻唑/噁唑結構的合成。與其它核糖體肽的生物合成不同的是，MCM-A為首例后修飾順序中脫水先于雜環形成的核糖體肽。

　　結合基因敲除突變株發酵液中間體的檢測和大腸桿菌共表達、分步重構的結果，研究者推測了MCM-A的生物合成途徑。本文不僅對MCM-A的生物合成途徑進行了奠基性的探索，并且也為通過組合生物合成以及基因組挖掘的方法產生或發現生物活性更好、含多個噻唑/噁唑結構的核糖體環肽類化合物奠定了基礎。

　　圖 （A）mcm基因簇；（B）MCM-A生物合成起始的兩步轉化；（C）MCM-A與組合生物合成產物17/18的結構及細胞毒活性

　　本工作近期發表在Cell Chemical Biology（Heterologous characterization of mechercharmycin A biosynthesis reveals alternative insights into posttranslational modifications for RiPPs. Cell Chem. Biol. ）。唐功利研究員為本文通訊作者，課題組已畢業博士裴增飛與楊敏杰為本文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金委以及中國科學院的資助。