近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所張長生研究員團(tuán)隊(duì)在抗性基因介導(dǎo)海洋微生物天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣化研究中獲得新進(jìn)展。研究揭示了糖苷酶KijX水解海洋微生物天然產(chǎn)物L(fēng)obophorin（LOBs）中的糖基側(cè)鏈，從而介導(dǎo)菌株對LOBs產(chǎn)生抗性的新機(jī)制，闡明了異源重組菌株中LOBs的結(jié)構(gòu)多樣化是內(nèi)源基因和外源基因簇間相互作用的結(jié)果，為抗生素耐藥性和結(jié)構(gòu)多樣化研究提供了新思路。相關(guān)研究成果“A Widespread Glycosidase Confers Lobophorin Resistance and Host-Dependent Structural Diversity”發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition (《德國應(yīng)用化學(xué)》)，并被遴選為”Hot Paper"。

　　抗生素耐藥問題正在引發(fā)全球健康危機(jī)，普遍認(rèn)為耐藥性的產(chǎn)生與抗生素的廣泛使用息息相關(guān)。但越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，即使在人跡罕至的凍土和洞穴中發(fā)現(xiàn)的微生物中也存在抗生素抗性基因，表明環(huán)境微生物作為抗性基因的儲存庫，可能是臨床耐藥菌株中抗性因子的起源。這也提出了一個(gè)關(guān)于抗生素與其抗性基因演化過程中“先有雞還是先有蛋”的有趣問題：是抗生素的廣泛使用催生了抗性基因的進(jìn)化，還是抗性基因本已古老存在，只是因抗生素的使用而加速了其發(fā)現(xiàn)過程？無論如何，從環(huán)境微生物中鑒別新的抗生素抗性基因，理解其生態(tài)功能，可以為抗生素的臨床耐藥性提供潛在的可控措施和解決方案。

　　LOBs屬于螺環(huán)乙酰乙酸內(nèi)酯類抗生素，研究人員前期從海洋來源鏈霉菌Streptomyces sp. SCSIO 01127中分離到LOBs A/B，解析了LOBs生物合成中負(fù)責(zé)糖基化（LobG1、LobG2和LobG3）（Org Lett, 2013, 15, 1374-1377; Org Lett, 2020, 22, 1062-1066）、糖甲基化（LobS1）（Appl Microbiol Biotechnol, 2013, 97, 3885-3892）和C-32羥化（LobP1）（Chin J Chem, 2023, 41, 1478-1484）等后修飾酶的功能（圖1）。但在近期研究中發(fā)現(xiàn)一個(gè)特別的現(xiàn)象：與野生型菌株產(chǎn)物不同，異源重組菌株S. coelicolor M1154/pCSG5560（含有l(wèi)ob基因簇）中產(chǎn)生了一系列C-9位帶單糖且C-32位為羥甲基的LOBs，而意外的是，雖然LobP1體外反應(yīng)確證其負(fù)責(zé)C-9位帶三糖或雙糖的LOBs的C-32位甲基羥化，但LobP1卻不能催化C-9位帶有單糖的LOBs發(fā)生羥化（圖1）。由此產(chǎn)生了異源重組菌株中這些C-9位帶單糖且C-32位為羥甲基的LOBs是如何產(chǎn)生的問題。

　　基于上述問題，通過文獻(xiàn)調(diào)研和生物轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，研究人員在異源宿主中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)糖苷酶KijX，可催化LOBs中C-9位多糖鏈的水解，但不能催化C-9位帶單糖的LOBs發(fā)生糖基水解（圖1）。在異源重組菌株S. coelicolor M1154/pCSG5560中，LOBs的合成經(jīng)歷了LobG1（C-17糖基化），LobG3（C-9位連續(xù)添加兩個(gè)糖）和LobG2（C-9位的第三個(gè)糖）催化的糖基化，KijX催化的C-9位三糖（或雙糖）產(chǎn)物脫糖，LobG3催化的C-9位重新糖基化（單糖）的復(fù)雜過程（圖2）。通過外源基因簇lob和內(nèi)源基因kijX之間相互作用，最終實(shí)現(xiàn)了LOBs的結(jié)構(gòu)多樣化。

　　

圖2.野生型菌株和異源重組菌株中LOBs產(chǎn)生的差異及菌株對LOBs產(chǎn)生抗性的分子機(jī)制

　　進(jìn)一步的生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，KijX的同源酶在細(xì)菌、真菌和古菌中廣泛存在。查詢到細(xì)菌來源KijX蛋白2323個(gè)，真核生物來源68個(gè)，古菌來源9個(gè)。體外酶學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，在選取的56個(gè)不同來源的KijX同源蛋白（相似性28？91%）中51個(gè)有水解糖基的活性，部分同源蛋白的活性優(yōu)于KijX。由于KijX同源蛋白廣泛存在于放線菌門中，推測該酶可能為放線菌對抗環(huán)境中LOBs的一種抗性機(jī)制?；钚栽u價(jià)實(shí)驗(yàn)顯示C-9位帶有單糖或無糖的LOBs對放線菌指示菌株沒有抑制活性；C-9位帶有三糖或雙糖的LOBs能夠抑制不含kijX及同源酶基因的放線菌的生長。導(dǎo)入kijX基因后，敏感菌株對LOBs產(chǎn)生抗性。相反，C-9位帶有三糖或雙糖的LOBs不能抑制含有kijX及同源基因的放線菌的生長，但敲除kijX及同源基因后，菌株對LOBs敏感（圖3）。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了kijX及其同源基因?yàn)長OBs的抗性基因。菌株間的拮抗實(shí)驗(yàn)顯示同樣的結(jié)果，表明菌株通過產(chǎn)生LOBs來抑制同一生境中其他微生物的生長以獲得競爭優(yōu)勢，體現(xiàn)了環(huán)境微生物間的一種共進(jìn)化關(guān)系（圖3）。

圖3. kijX作為抗性基因的鑒定以及LOBs產(chǎn)生菌和非產(chǎn)生菌之間的拮抗作用

　　為了進(jìn)一步闡明這類特殊糖苷酶的作用機(jī)制，研究人員解析了AcvX（KijX同源蛋白）的晶體結(jié)構(gòu)。與AlphaFold2預(yù)測的15個(gè)其他KijX同源蛋白結(jié)構(gòu)比較顯示，這類酶含有典型的GH113家族糖基水解酶的（β/α）8桶狀結(jié)構(gòu)，但與典型GH113家族水解酶相比，KijX及其同源酶與底物結(jié)合的口袋呈現(xiàn)出特征的帶負(fù)電的凹槽，這個(gè)負(fù)電凹槽是該類酶特異性對LOBs產(chǎn)生水解作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。進(jìn)一步通過晶體疊加和點(diǎn)突變分析找到了該類蛋白可能的催化位點(diǎn)，并推測了其催化機(jī)制。

　　絕大多數(shù)KijX同源酶在本研究之前被注釋為未知功能蛋白，含有kijX的微生物在環(huán)境中分布非常廣泛，涵蓋了沙漠、海洋和深洞，以及人體和動(dòng)物的腸道微生物。與此相反，含有LOB生物合成基因簇的微生物大多數(shù)來自于海洋環(huán)境。由此推測某些抗生素的抗性基因本已古老存在，抗生素的廣泛使用加速了其發(fā)現(xiàn)過程。kijX及其同源基因作為LOBs的抗性基因是巧合還是必然，是否其進(jìn)化的目的是為抵抗環(huán)境中的LOBs均還未知，它們的原始生物學(xué)功能還有待進(jìn)一步研究。

　　譚彬博士、張麗萍副研究員和張慶波研究員為本文共同第一作者，朱義廣和張長生研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展(海洋六大產(chǎn)業(yè))專項(xiàng)資金項(xiàng)目、海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目和中國科學(xué)院王寬誠率先人才計(jì)劃“盧嘉錫國際團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”等資助。

　　相關(guān)論文信息：

　　A Widespread Glycosidase Confers Lobophorin Resistance and Host-Dependent Structural Diversity. https://doi.org/10.1002/anie.202302043