科研團隊成功揭示慶大霉素生物合成中雙脫氧修飾催化機理

9月26日，從武漢大學(xué)獲悉，該校藥學(xué)院鄧子新院士團隊孫宇輝教授課題組與英國劍橋大學(xué)、巴西圣保羅大學(xué)關(guān)于慶大霉素雙脫氧催化機制的最新合作研究成果在《美國化學(xué)會催化》發(fā)表。論文通過遺傳學(xué)、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)等多學(xué)科研究方法，成功揭示慶大霉素生物合成中雙脫氧修飾的過程和催化機理，完成了曾經(jīng)抗感染明星藥物慶大霉素復(fù)雜生物合成途徑的最后一塊“拼圖”。

慶大霉素作為氨基糖苷類抗生素的典型代表，曾一度是治療革蘭氏陰性細菌感染的首選藥物。

伴隨著日益嚴重的抗生素耐藥性問題，及慶大霉素自身的腎毒性和耳毒性，如何通過合成生物學(xué)方法研制出更高效、更安全的慶大霉素等新型氨基糖苷類藥物，成為人們的迫切愿望。

為此，徹底清晰的闡明其生物合成途徑，尤其是對賦予了慶大霉素對抗部分鈍化酶特性的C-3’和C-4’的雙脫氧分子結(jié)構(gòu)的形成機制，是對其進行理性改造的重要基礎(chǔ)與前提，一直吸引著人們好奇和探索的目光。

在前期系統(tǒng)研究積累基礎(chǔ)上，孫宇輝課題組通過對可能涉及雙脫氧的PLP依賴的轉(zhuǎn)氨酶候選編碼基因進行體內(nèi)遺傳敲除，證實了GenB3和GenB4參與該過程，并通過鑒定的數(shù)個中間產(chǎn)物，說明該過程實際上包括連續(xù)的脫雙羥基和雙鍵還原步驟。再經(jīng)GenB3和GenB4重組表達，并以分離獲得的中間產(chǎn)物為底物進行嚴格體外生化驗證，發(fā)現(xiàn)脫雙羥基并非單一反應(yīng)，除磷酸化酶GenP負責(zé)中間體磷酸化之外，還包含了連續(xù)的脫磷酸、異構(gòu)化、脫氨基和轉(zhuǎn)氨過程，而這些復(fù)雜變化均由GenB3單獨催化完成。

同時，GenB4主導(dǎo)的雙鍵還原并未使用還原型輔酶，而是非常規(guī)地通過亞氨基水解，間接實現(xiàn)了還原，再通過GenB3轉(zhuǎn)氨，得到最終慶大霉素C組分產(chǎn)物。這個過程因為不同尋常的還原方式，在同一位點反復(fù)脫氨或轉(zhuǎn)氨多達四次。整個催化過程在簡單的表象之下蘊藏著自然界天然產(chǎn)物獨特而精彩的催化機理。

課題組還發(fā)現(xiàn)，GenB3和GenB4雖然氨基酸序列極其相似，功能卻不盡相同。通過對其蛋白晶體的結(jié)構(gòu)解析，表明GenB3中第57位的Ser和GenB4中第52位Asp可能是引發(fā)其功能不同的關(guān)鍵所在，即僅僅一個氨基酸位點不同，最終決定了兩者功能巨大差異。

據(jù)悉，論文題目為《慶大霉素生物合成中雙脫氧的機理研究》，武漢大學(xué)李思聰、圣保羅大學(xué)Priscila Dos Santos Bury和劍橋大學(xué)的黃方呂為并列第一作者。本研究得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交流重點項目的資助。(科技日報記者 吳純新 通訊員 姚苑)