氧化還原酶基因缺失拓展非典型角環素的結構多樣性
中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室海洋微生物代謝工程與生物合成研究團隊在非典型角環素結構多樣性研究上取得新進展。相關成果近日先后發表于《有機化學雜志》（The Journal of Organic Chemistry）和《天然產物雜志》（Journal of Nature Products），其中發表于《有機化學雜志》“Inactivation of flavoenzyme-encoding gene flsO1 in fluostatin biosynthesis leads to diversified angucyclinone derivatives”的論文被遴選為當期（8月20日）封面文章。
非典型角環素類天然產物骨架類型豐富多樣，生物活性優良，是開發抑菌、抗腫瘤藥物和酶抑制劑的熱點分子，而氧化還原酶對非典型角環素結構修飾和多樣化具有舉足輕重的影響。因此，研究編碼氧化還原酶的基因功能可以改變非典型角環素結構修飾，拓展其結構多樣性，為藥物先導化合物的篩選提供分子支撐，為基于構效關系的活性化合物的結構改造提供基因和酶學元件。
研究團隊前期通過生物信息學分析發現fluostatins（FSTs）生物合成基因簇的flsO1編碼一個氧化還原酶，與kinamycin中推測催化苯并芴結構羥基化的AlpK是同源酶。為研究flsO1在FSTs生物合成途徑中的功能，我們采用插入突變和同框缺失兩種方式進行了flsO1的基因缺失研究，結果表明flsO1基因缺失突變株不再生產FSTs，但積累了多個相關產物，其中5個為已知化合物dehydrorabelomycin、phenanthroviridone、5-hydroxydehydrorabelomycin、rabelomycin和PK1（16），4個為新化合物gephyromycin D（11）、6‐hydroxyfridamycin E（12）和fluostarene A-B (14-15)。化合物14和15是新穎的苯并芴并內酯多環稠合結構。研究人員隨后利用flsO1及其同源基因alpK分別回補flsO1突變株，均能恢復FSTs生產，暗示氧化酶FlsO1和AlpK是同工酶，都催化苯并芴結構的羥化反應。活性篩選發現化合物dehydrorabelomycin的細胞毒活性優于陽性對照阿霉素，化合物14-16具有中等強度的細胞毒活性，同時對引發II型糖尿病的a-葡萄糖苷酶也表現出中等強度的酶抑制活性。化合物11-12和14-16的生源途徑推導表明它們屬于FSTs生物合成途徑旁路產物（J Org Chem, 2021, 86(16): 11019–11028）。
分析發現在FST的生物成基因簇中，flsP氧化還原酶編碼基因可能與FSTs 的A環氧化去芳香化有關。進一步研究發現，在野生型菌株Micromonospora rosaria SCSIO N160中插入突變flsP獲得了一系列非典型角環素衍生物，包括1個新穎的異源二聚體difluostatin I、5個新的FST類衍生物FSTs T–X、5個已知的FSTs（C、E、F、J和K）和dehydrorabelomycin。其中difluostatin I是首個由1,4-氧氮雜庚環連接的FSTs異源二聚體，而FST W則包含了一個罕見的異惡唑啉-5-酮環。且化合物FSTs（T、V和X）對白色念珠菌具有抑制活性。有趣的是ΔflsP突變株中與FST有關的主要代謝物FSTs（C、E、F、J和K）的產量與野生型菌株基本相當，因此，氧化還原酶FlsP在FSTs生物合成中的真正作用還需要進一步深入研究（J Nat Prod, 2021, DOI: 10.1021/acs.jnatprod.1c00461）。
該研究通過基因突變等體內研究，為氧化還原酶FlsO1及FlsP的體外功能研究提供了新啟示，同時拓展了苯并芴類非典型角環素的結構多樣性。
楊春芳副研究員與黃春帥博士分別為上述論文第一作者，由張長生、張文軍兩位研究員指導完成。研究得到了海南省重大科技計劃項目、國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、中科院前沿局重點項目、廣東省海洋經濟發展專項資金項目和南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)人才團隊引進重大專項的共同資助。
論文1相關信息：Chunfang Yang,# Chunshuai Huang,# Chunyan Fang, Liping Zhang, Siqiang Chen, Qingbo Zhang, Changsheng Zhang,* Wenjun Zhang.* Inactivation of flavoenzyme-encoding gene flsO1 in fluostatin biosynthesis leads to diversified angucyclinone derivatives. The Journal of Organic Chemistry, 2021, 86(16): 11019–11028. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.joc.0c02517
論文1封面鏈接：https://pubs.acs.org/toc/joceah/86/16
論文2相關信息：Chunshuai Huang, Chunfang Yang,* Wenjun Zhang, Liping Zhang, Yiguang Zhu, and Changsheng Zhang* Discovery of an unexpected 1,4-oxazepine-linked seco-fluostatin heterodimer by Inactivation of the oxidoreductase-encoding gene flsP. Journal of Natural Products, 2021, DOI: 10.1021/acs.jnatprod.1c00461.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jnatprod.1c00461
圖1.發表于The Journal of Organic Chemistry的文章封面圖片
圖2.滅活flsO1獲得新穎的活性苯并芴并內酯五環化合物并揭示氧化酶FlsO1可能具有類似AlpK的羥化功能（論文1）
圖3.滅活flsP獲得新穎的包含A環不同修飾的fluostatins衍生物（論文2）
