9月9日，《自然?通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了武漢大學藥學院孫宇輝教授和張鄭宇特聘研究員課題組關(guān)于活性天然產(chǎn)物曲張鏈絲菌素（Streptovaricins）中亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)生物合成機制的重要研究進展[1]，博士研究生孫果為本論文第一作者。此研究得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學技術(shù)協(xié)會青年精英科學家資助計劃、微生物代謝國家重點實驗室開放課題的大力支持。

抗生素的發(fā)現(xiàn)是人類抵抗疾病漫長過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，但隨著在臨床上的大量使用，抗生素耐藥性已經(jīng)成為藥物研發(fā)的重要掣肘。金黃色葡萄球菌是臨床上引起感染的常見病原菌，然而，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）等耐藥菌的出現(xiàn)，使得對這一病原菌感染的治療變得尤為棘手。因此，發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新這類抗耐藥菌藥物成為了人們的迫切愿望。

孫宇輝課題組在前期針對抗MRSA活性天然產(chǎn)物的大量研究中，從武漢大學校園土壤中分離到的一株鏈霉菌（Streptomyces spectabilis CCTCC M2017417）中發(fā)現(xiàn)了一類具有抗MRSA活性的萘安莎類抗生素，經(jīng)鑒定為曲張鏈絲菌素，它在結(jié)構(gòu)上與著名的肺結(jié)核明星藥治療物利福霉素同屬一個家族。通過微生物分子遺傳學、生物化學等方法，對曲張鏈絲菌素生物合成中參與活性結(jié)構(gòu)的多個細胞色素P450酶編碼基因進行了全面探索，并對定向遺傳改造獲得的曲張鏈絲菌素系列新結(jié)構(gòu)衍生物的抗MRSA活性進行了表征。相關(guān)的研究成果已發(fā)表于《美國化學會?化學生物學》（ACS Chemical Biology, 2017, 12: 2589-2597）[2]。在此基礎(chǔ)上，近期結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學手段，對曲張鏈絲菌素中獨特且與抗MRSA活性密切偶聯(lián)的亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)的生物合成機制進行了深入的揭示。

首先，根據(jù)生物信息學分析及前期實驗結(jié)果，推測該菌細胞色素P450酶StvP2有可能是負責曲張鏈絲菌素結(jié)構(gòu)中亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵酶。從其突變株中分離獲得的關(guān)鍵中間體及相應的體外酶學催化結(jié)果充分地證實了這一推測。隨后，通過多重遺傳敲除所構(gòu)建的突變株中系列中間體的分離和鑒定，對該酶催化特性進行了探究，表征出它所催化的亞甲基雙氧橋合成反應的非典型底物抑制動力學特征。

為了從本質(zhì)上解析StvP2催化亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)的形成機制，通過與張鄭宇特聘研究員課題組合作，利用X-ray晶體衍射分別解析了該酶在無底物和有底物結(jié)合時的蛋白晶體結(jié)構(gòu)，揭示了其中獨特的催化三聯(lián)體所負責的“酮式-烯醇式”互變異構(gòu)，并通過單加氧反應及后續(xù)的成環(huán)過程，最終形成具有亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)的終產(chǎn)物，該催化機制進一步被關(guān)鍵氨基酸殘基系列點突變及生化證據(jù)所證實。

為完整闡釋亞甲基雙氧橋形成的生物合成途徑，巧妙地借用了菠菜來源的電子傳遞和還原系統(tǒng)，在體外成功地重建了由甲基化酶StvM1、酰基化酶StvA2和氧化酶StvP2共同參與的亞甲基雙氧橋結(jié)構(gòu)形成過程。這一研究進展向我們展示了曲張鏈絲菌素及其該類化合物生物合成過程中的核心步驟，深入解析了亞甲基雙氧橋形成的酶學機制，為后續(xù)曲張鏈絲菌素類化合物的理性結(jié)構(gòu)改造及其抗MRSA活性藥物的研發(fā)提供了精準的“導航圖”。

孫宇輝教授和張鄭宇特聘研究員同屬藥學院鄧子新院士團隊成員，均為近年來從海外引進人才，他們分別聚焦于微生物遺傳學和結(jié)構(gòu)生物學領(lǐng)域，此項工作從學科的互補性和交叉性充分體現(xiàn)了團隊合作在解答復雜科學問題的強大優(yōu)勢。

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