PNAS：慶大霉素甲基化網(wǎng)絡(luò)原來也可以如此優(yōu)美
近日，《美國科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）》正式發(fā)表了藥學(xué)院鄧子新院士團(tuán)隊(duì)孫宇輝教授課題組關(guān)于慶大霉素甲基化代謝網(wǎng)絡(luò)催化機(jī)制的合作研究論文[1]，這也是該課題組繼2014和2015年連續(xù)在《Cell》子刊《Chemistry &?Biology》發(fā)表慶大霉素生物合成機(jī)制系列研究成果以來[2, 3]，再次在該領(lǐng)域取得的最新突破。在這項(xiàng)最新的研究成果中，孫宇輝教授課題組與劍橋大學(xué)生物化學(xué)系Peter F. Leadlay教授課題組合作，從單基因功能的探究到多基因網(wǎng)絡(luò)的解析，全面揭示了一個(gè)全新的慶大霉素甲基化立體交叉代謝網(wǎng)絡(luò)，為慶大霉素復(fù)雜多組分的產(chǎn)生提供了合理的解釋，更重要的是為理性獲得高效低毒慶大霉素單組分提供了一張清晰的代謝線路圖。
慶大霉素（Gentamicin）作為氨基糖苷類抗生素的核心成員，由于其顯著的臨床療效，一度成為治療由革蘭氏陰性菌所引發(fā)嚴(yán)重感染的首選藥物，為人類的健康立下了汗馬功勞。然而，伴隨著日益嚴(yán)重的抗生素耐藥性問題，及其內(nèi)在的腎毒性和耳毒性等副作用，如何研制出更為高效安全的慶大霉素，使這一經(jīng)典老藥煥發(fā)出新的活力，已成為人們的迫切需求。為此，從本質(zhì)上對(duì)其長(zhǎng)久以來未曾全面解析的生物合成機(jī)制的闡明，是利用合成生物學(xué)等手段進(jìn)行定向優(yōu)化改造，以創(chuàng)新氨基糖苷類抗生素的重要基礎(chǔ)與前提，也是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
作為一個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的氨基糖苷分子，慶大霉素存在著令人驚奇的、極其復(fù)雜多樣的甲基化和氨基化修飾，這些修飾既是慶大霉素結(jié)構(gòu)多樣性和生物活性展示的重要功能基團(tuán)，同時(shí)也是耐藥性產(chǎn)生的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元。孫宇輝教授課題組在成功解析了由慶大霉素A2到最終慶大霉素復(fù)合物的關(guān)鍵共同中間體的生物合成機(jī)制，以及破解了慶大霉素生物合成的關(guān)鍵中樞的基礎(chǔ)上，與Peter F. Leadlay教授再度聯(lián)手，系統(tǒng)地從分子遺傳學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)的角度揭示出全新的慶大霉素甲基化修飾的生物合成機(jī)制，其C- 6’、N-3’’和C-4’’上的甲基化相對(duì)獨(dú)立，突破了人們對(duì)慶大霉素甲基化“串聯(lián)式”順序依次發(fā)生的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，首次建立了“并聯(lián)式”多輪甲基化修飾的立體網(wǎng)絡(luò)模型（圖1）。巧合的是這些經(jīng)不同程度甲基化修飾的中間體恰好可以完美地位于正四面體的頂點(diǎn)，如果尚未甲基化的起始中間體從第一個(gè)頂點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過任意一條通道，均可完成在C- 6’、N-3’’和C-4’’上的三步甲基化，最終到達(dá)與第一個(gè)頂點(diǎn)相對(duì)的出口。這不禁讓人感嘆自然界的創(chuàng)造力竟是如此的神奇和美妙！
圖1.?慶大霉素甲基化代謝網(wǎng)絡(luò)示意圖
綠色球體所包含的分子為慶大霉素甲基化前體DAA2，分別在慶大霉素N-3’’、C-4’’和C- 6’上發(fā)生的甲基化依次用紅色、橙色和藍(lán)色表示。箭頭表示甲基化催化反應(yīng)及其方向。
本研究另一個(gè)顯著突破在于成功定位了負(fù)責(zé)慶大霉素生物合成最后一步甲基化基因。利用全基因組測(cè)序及生物信息學(xué)分析，結(jié)合體外酶學(xué)和體內(nèi)遺傳等手段，篩選并確證了人們長(zhǎng)期以來尋尋覓覓而未得的負(fù)責(zé)慶大霉素N-6’位甲基化的甲基轉(zhuǎn)移酶合成基因，使這個(gè)距離基因簇2.54 Mb之遙的“迷失孤兒”得以回歸，這一結(jié)果也最終填補(bǔ)上了慶大霉素甲基化修飾網(wǎng)絡(luò)中的最后一塊“拼圖”。
孫宇輝教授課題組長(zhǎng)期致力于微生物來源，尤其是放線菌天然產(chǎn)物生物合成機(jī)制解析與藥物創(chuàng)新工作，并取得了一系列重要進(jìn)展。自劍橋大學(xué)回國七年多來，以通訊作者先后在Nature Chemical Biology、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America、Cell Chemical Biology、Angewandte Chemie International Edition等國際著名期刊發(fā)表論文近二十篇。
相關(guān)參考文獻(xiàn)
[1]?Li S,?Guo J,?Reva A,?Huang F,?Xiong B,?Liu Y,?Deng Z, Leadlay?PF,?Sun Y (2018) Methyltransferases of gentamicin biosynthesis.?Proc Natl Acad Sci USA?115:1340-1345.?
http://www.pnas.org/content/115/6/1340
[2]?Guo J, Huang F, Huang C, Duan X, Jian X, Leeper F, Deng Z, Leadlay PF,?Sun Y(2014)?Specificity and promiscuity at the branch point in gentamicin biosynthesis.?Chem Biol?21:608-618.?
http://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S1074-5521(14)00110-0
[3]?Huang C, Huang F, Moison E, Guo J, Jian X, Duan X, Deng Z, Leadlay PF,?Sun Y?(2015) Delineating the biosynthesis of gentamicin X2, the common precursor of the gentamicin C antibiotic complex.?Chem Biol?22:251-261.
http://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S1074-5521(14)00460-8
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