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細菌多環芳香聚酮類天然產物不僅活性良好，且其生物合成途徑中蘊含著豐富的酶學機制，因而一直是生物學和化學領域的研究熱點之一。在II型聚酮合酶（PKS）、酮基還原酶、芳香化酶、環化酶等協作下，丙二醯單元形成規則的多環芳香骨架，在某些情況下，該骨架可進一步由氧化還原酶進行後修飾。其中，特別令人感興趣的是一類黃素蛋白單加氧酶（FPMO）參與的II型PKS的氧化後修飾，可催化羥基化、Baeyer-Villiger氧化、環氧化、磺氧化和鹵化等廣泛的氧化還原轉化，通常大幅改變最初形成的多環主鏈，例如，通過收縮、膨脹或氧化重排到新的環系統，極大地增加了天然產物結構的複雜性和多樣性，形成成熟的生物活性分子。近日，戈惠明（點擊查看介紹）研究團隊通過體內表徵和體外重構揭示了mutaxathene的完整生物合成途徑以及多功能蛋白MtxO4（FPMO）催化多步轉化生成氧雜蒽環的過程。

圖1. Mutaxanthenes F和G（1a和1b）的生物合成。（A）來自S. setonensis NAK80的mutaxanthenes的生物合成基因簇。（B）推測的1a/1b的生物合成途徑。圖片來源：Angew. Chem.

為了深入了解FPMO家族的多功能性，作者專注於編碼多個FPMO的未知II型PKS基因簇。基於基因組信息挖掘策略，作者在實驗室測序菌基因組庫中發現了一條來自Streptomyces setonesis NAK80的 II型PKS基因簇mtx，該基因簇包含一組編碼最小PKS和輔助酶的基因，以及編碼 FPMO 的三個基因，其與簇外甲基轉移酶協作形成一類新的mutaxathene類似物，命名為mutaxanthenes F和G（1a和1b）。

Mutaxanthenes中12，12a-二氫-1H-苯並[b]氧雜蒽骨架在芳香族聚酮中較為罕見，除醋酸鈉標記實驗外還未有對其生物合成研究的報導。全碳標記的13C醋酸鈉投餵實驗表明，未偶聯的C4a和C16很可能通過未知的氧化裂解機制從一個完整的醋酸單元衍生而來。然而，mutaxanthene的詳細生物合成途徑以及骨架重排機制尚不清楚。

首先，作者在體內逐個敲除mtx基因簇上相關基因，初步確定了1a/1b的相關合成蛋白功能，其中，從MtxO4（FPMO）突變株中分離鑑定了關鍵中間體9a/9b。為了明確闡明生物合成途徑並分配相關酶的功能，作者隨後採用多種方式表達純化並獲得酶促全合成所需的全部蛋白，通過ACP的活化、延伸單元的識別驗證以及酶反應體系的調整，成功實現了關鍵中間體以及終產物的一鍋法體外酶促全合成，再次驗證了mutaxanthene的生物合成途徑。最後，基於異源表達、體外酶催化、中間體的捕捉以及氧標記實驗，作者推測了黃素蛋白單加氧酶MtxO4催化含螺[4.5]癸二酮的四環中間體9a/9b氧化重排成12，12a-二氫-1H-苯並[b]氧雜蒽骨架的過程。

圖2.（A）推測的MtxO4催化過程。（B）9a至10a的氧摻入路線簡化圖。圖片來源：Angew. Chem.

總結

黃素蛋白單加氧酶MtxO4催化的氧化重排反應有助於我們理解A族FPMO的催化多功能性，並擴展FPMO在天然產物生物合成中的功能庫。隨著天然產物生物合成知識的積累，體外重構是高效率以及高精度生產複雜分子的有效方法。Mutaxanthene的體外一鍋法酶促全合成為進一步酶促全合成其它II型PKS天然產物奠定了基礎。相關工作以VIP文章發表在Angew. Chem. Int. Ed.，博士研究生向浪為論文第一作者，史淨副研究員、譚仁祥教授和戈惠明教授為論文通訊作者，該工作得到國家自然科學基金，科技部重點研發計劃等經費的支持。

Total Biosynthesis of Mutaxanthene Unveils a Flavoprotein Monooxygenase Catalyzing Xanthene Ring Formation

Lang Xiang, Jing Shi, Ao Zhu, Zi Fei Xu, Shuang He Liu, Yi Shuang Wang, Zhi Kai Guo, Rui Hua Jiao, Ren Xiang Tan, Hui Ming Ge

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202218660

導師介紹

戈惠明

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