灣區(qū)時訊 近期，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室（LMB）/廣東省海洋藥物重點實驗室（LMM）閆巖研究員團隊完成了對真菌來源的quadrane新骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成研究，成果發(fā)表在英國皇家化學會旗艦期刊《Chemical Science》上，文章被該刊評為每周亮點論文和2024熱點論文。 

倍半萜是萜類化合物中占比最多的一種，分子中含15個碳原子，由三個異戊二烯單元組成鏈狀、環(huán)狀等多種骨架結(jié)構(gòu)，分布于植物、昆蟲、微生物等生物中，具有廣泛的生物活性，是醫(yī)藥、食品和化妝品研發(fā)的重要源泉。Terrecyclic acid是一類由環(huán)戊烷駢雙環(huán)辛烷組合而成的quadrane倍半萜骨架，經(jīng)過氧化后修飾而成的一類具有抗菌、抗腫瘤活性天然產(chǎn)物。該類化合物最早發(fā)現(xiàn)于土曲霉，后又相繼從不同來源的真菌和柳珊瑚中發(fā)現(xiàn)（如圖1）。

由于quadrane骨架的特殊結(jié)構(gòu)與良好的生物學活性，其制備方法的研究受到廣泛關(guān)注，其中合成化學家先后開發(fā)出20余條合成路線。然而由于該類化合物特殊的結(jié)構(gòu)和成環(huán)方式，使得其化學合成步驟多，產(chǎn)率較低，在一定程度阻礙了先導(dǎo)藥物的開發(fā)。通過合成生物學方法大量制備quadrane類天然產(chǎn)物，是解決這一問題的有效策略。同位素示蹤實驗表明，quadrane骨架的生物合成可能經(jīng)歷了兩種完全不同的途徑，即Hirota途徑和Coates途徑。盡管計算化學研究表明后者的可能性更高，但quadrane骨架的生物合成基因與其形成的確切酶學機制仍有待證實（路徑圖1）。

閆巖研究員團隊通過對真菌基因組的挖掘，發(fā)現(xiàn)了該類化合物的生物合成基因簇ter，包括一個TC即terA、一個P450氧化基因（terB）、一個短鏈脫氫基因（terC）和一個主要協(xié)同轉(zhuǎn)運因子超家族基因（terD），如圖2A。通過異源表達、體內(nèi)喂養(yǎng)、體外酶反應(yīng)等研究，驗證了基因簇中各基因的功能（圖2B-2E），證實了其生物合成途徑：即在環(huán)化酶TerA的作用下催化FPP產(chǎn)生化合物25，進而產(chǎn)物25被P450酶TerB羥化和羧基化產(chǎn)生化合物32，最后32被脫氫酶TerC催化形成終產(chǎn)物2，如圖2F。

在發(fā)現(xiàn)新型倍半萜環(huán)化酶（β-terrecyclene合酶，TerA）可以催化法尼基焦磷酸（FPP）轉(zhuǎn)化為β-terrecyclene（25）的基礎(chǔ)上，通過對TerA的系列定點突變研究（圖3），結(jié)合動力學同位素效應(yīng)分析（圖4），確證了環(huán)化過程為Coates途徑，而非最早提出的Hirota途徑。

通過以上研究，作者發(fā)現(xiàn)了抗菌、抗腫瘤quadrane骨架倍半萜terrecyclic acid的生物合成基因簇，以此為基礎(chǔ)，解析了其通過β-terrecyclene環(huán)化酶TerA形成quadrane骨架，繼而氧化、脫氫的后修飾的生物合成過程。Quadrane骨架的形成機制也通過對蛋白TerA的點突變和動力學同位素效應(yīng)得以證實，從而解決了幾十年來關(guān)于該類天然產(chǎn)物生物合成研究的謎團。該研究也為進一步以萜類環(huán)化酶TerA為探針，從真菌數(shù)據(jù)庫中對quadrane類天然產(chǎn)物的發(fā)掘奠定了基礎(chǔ)。

以上研究，副研究員宋永相為第一作者，研究員閆巖為通訊作者。由濟南大學的王文貴博士，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）唐奕（Yi Tang）教授團隊合作完成。

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、海南省科技計劃三亞崖州灣科技城科技創(chuàng)新聯(lián)合項目、國家自然科學基金、中國科學院王寬誠率先人才計劃“盧嘉錫國際團隊項目”和海南省自然科學基金、廣東特支計劃 “海洋藥物研究開發(fā)創(chuàng)新團隊”等的資助。

Chemical Science作為英國皇家化學會資助的旗艦期刊，對各國研究人員在化學領(lǐng)域取得的突破性成果，經(jīng)評審接收后免費發(fā)表，并對全球讀者開放獲取。文章接收后，被Chemical Science評為每周亮點論文2024 ChemSci Pick of the Week Collection和2024熱點論文2024 Chemical Science HOT Article Collection 

本文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc01208a。

文章相關(guān)信息：Yongxiang Song, Wengui Wang, Jiafan Yang, De-Wei Gao, John M Billingsley, Songtao Wang, Yiguang Zhu, Junfeng Wang, Jianhua Ju, Yan Yan* and Yi Tang. Chem. Sci., 2024, doi.org/10.1039/D4SC01208A