自然子课题:海洋微生物氧杂蒽酮的生物合成研究进展

南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室海洋微生物代谢工程与生物合成研究团队在海洋微生物氧杂蒽酮生物合成机制研究方面取得新进展。9月14日，相关研究成果在线发表于《自然-通讯》 (Nature Communications)。

含有氧杂蒽酮骨架的天然产物具有抗炎、抗氧化、抗菌和抗肿瘤活性。自从40多年前首次报道呫吨酮类化合物以来，其中一些化合物已经成为药物研发中的明星分子。目前，已经开发了许多合成呫吨酮类化合物的化学方法，但放线菌中呫吨酮类化合物骨架的生物合成过程和酶促机理仍不清楚。

研究小组早期在海洋小单孢菌SCSIO N60中发现了Fluostatin C (7)，属于苯并芴非典型角蛋白，具有激酶A (11)。前期阐明了氟伐他汀生物合成途径中的黄素氧化酶FlsO2具有双重功能，可以催化氧化和脱水反应，形成8进9(图1)。在基因缺失突变体flsO2中仍可观察到少量化合物9，提示基因簇中的其他氧化酶可能在体内补充flsO2的功能(Org。列特。 2015, 17, 5324).对激酶生物合成的研究表明，单加氧酶AlpJ(FlsG同源蛋白)催化9的环化反应形成苯并芴中间体12，黄素氧化酶AlpK可能负责12的C-5位羟基化形成13。先前对ALPK的体内研究也发现，AlpK的同源酶FlsO1在C-5位具有类似的羟基化功能(J. Org。化学。2021，86，11019)(图1)，但由于化合物12的不稳定性而无法获得，限制了FlsO1的体外功能研究。然而，Nenestatin C (14) (org。生物分子。化学。2021，19，4243)，获得了nenestatin A的生物合成中间体。其结构与12相似，可作为12的模拟底物研究FlsO1的体外功能(图1)。

图一。多功能氧化酶FlsO1的生理功能和意想不到的新功能

基于以上工作，发现黄素蛋白氧化酶FlsO1在体外可以催化多种氧化反应，一方面可以催化前体8形成产物9，从而补充FlsO2的生理功能；另一方面，8可以转化成许多产物，包括氧杂蒽酮化合物16和17(图1)。此外，通过同位素标记、中间体或其衍生物的结构鉴定，解释了FlsO1通过催化三步级联氧化(羟基化、环氧化和Baeyer-Villiger氧化)生成呫吨酮的反应机理。发现FlsO1可以催化14(模拟生理底物12)的C-5羟基化，间接证明了FlsO1的生理功能。通过FlsO1酶的晶体结构、关键中间体对接分析和氨基酸残基定点突变实验，揭示了FlsO1接受不同底物并催化多重氧化反应的结构基础。

该研究发现了海洋放线菌中与真菌和植物中明显不同的呫吨酮环的生物合成机制，阐明了多功能黄素氧化酶FlsO1催化多重氧化反应的结构基础，拓展了黄素蛋白功能研究的视野，为呫吨酮的结构多样化和构效关系提供了新的工具酶和研究手段。本研究得到了国家、海南省重大科技项目、国家重点研发项目的支持。d计划、王宽城教育基金、中科院青年创新促进会、广东省海洋经济发展专项基金项目、南方海洋科学与工程(广州)广东实验室人才团队引进重大项目。