武漢大學孫宇輝組：慶大黴素甲基化網路原來也可以如此優美

責任編輯 譚坤

2018年2月6日，《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）正式發表了武漢大學藥學院孫宇輝教授課題組關於慶大黴素甲基化代謝網路催化機制的合作研究論文(論文信息見文末），這也是該課題組繼2014和2015年連續在Cell子刊Chemistry & Biology發表慶大黴素生物合成機制系列研究成果以來[1，2]，再次在該領域取得的最新突破。在這項最新的研究成果中，孫宇輝教授課題組與劍橋大學生物化學系 Peter F. Leadlay 教授課題組合作，從單基因功能的探究到多基因網路的解析，全面揭示了一個全新的慶大黴素甲基化立體交叉代謝網路，為慶大黴素複雜多組分的產生提供了合理的解釋，更重要的是為理性獲得高效低毒慶大黴素單組分提供了一張清晰的代謝線路圖。

慶大黴素（Gentamicin）作為氨基糖苷類抗生素的核心成員，由於其顯著的臨床療效，一度成為治療由革蘭氏陰性菌所引發嚴重感染的首選藥物，為人類的健康立下了汗馬功勞。然而，伴隨著日益嚴重的抗生素耐藥性問題，及其內在的腎毒性和耳毒性等副作用，如何研製出更為高效安全的慶大黴素，讓這一經典老葯煥發出新的活力，已成為人們的迫切需求。為此，從本質上對其長久以來未曾全面解析的生物合成機制的闡明，是利用合成生物學等手段進行定向優化改造，以創新氨基糖苷類抗生素的重要基礎與前提，也是當前該領域的研究熱點之一。

作為一個化學結構並不複雜的氨基糖苷分子，慶大黴素存在著令人驚奇的、極其複雜多樣的甲基化和氨基化修飾，這些修飾既是慶大黴素結構多樣性和生物活性展示的重要功能基團，同時也是耐藥性產生的關鍵結構單元。孫宇輝教授課題組在成功解析了由慶大黴素A2到最終慶大黴素複合物的關鍵共同中間體的生物合成機制，以及破解了慶大黴素生物合成的關鍵中樞的基礎上，與Peter F. Leadlay教授再度聯手，系統地從分子遺傳學、生物化學和化學生物學的角度揭示出全新的慶大黴素甲基化修飾的生物合成機制，其 C- 6』、N-3』』和 C-4』』上的甲基化相對獨立，突破了人們對慶大黴素甲基化「串聯式」順序依次發生的傳統認識，首次建立了「並聯式」多輪甲基化修飾的立體網路模型（圖1）。巧合的是這些經不同程度甲基化修飾的中間體恰好可以完美地位於正四面體的頂點，如果尚未甲基化的起始中間體從第一個頂點出發，經過任意一條通道，均可完成在 C- 6』、N-3』』和 C-4』』上的三步甲基化，最終到達與第一個頂點相對的出口。這不禁讓人感嘆自然界的創造力竟是如此的神奇和美妙！

圖1. 慶大黴素甲基化代謝網路示意圖

綠色球體所包含的分子為慶大黴素甲基化前體DAA2，分別在慶大黴素N-3』』、C-4』』和C- 6』上發生的甲基化依次用紅色、橙色和藍色表示。箭頭表示甲基化催化反應及其方向。

本研究另一個顯著突破在於成功定位了負責慶大黴素生物合成最後一步甲基化基因。利用全基因組測序及生物信息學分析，結合體外酶學和體內遺傳等手段，篩選並確證了人們長期以來尋尋覓覓而未得的負責慶大黴素 N-6』位甲基化的甲基轉移酶合成基因，使這個距離基因簇2.54 Mb之遙的「迷失孤兒」得以回歸，這一結果也最終填補上了慶大黴素甲基化修飾網路中的最後一塊「拼圖」。

課題組介紹孫宇輝教授課題組長期致力於微生物來源，尤其是放線菌天然產物生物合成機制解析與藥物創新工作，並取得了一系列重要進展。自劍橋大學回國七年多來，孫宇輝教授以通訊作者先後在Nature Chemical Biology、Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America、Cell Chemical Biology、Angewandte Chemie International Edition等國際著名期刊發表論文近二十篇。

參考文獻

[1]Guo J, Huang F, Huang C, Duan X, Jian X, Leeper F, Deng Z, Leadlay PF, Sun Y (2014) Specificity andpromiscuity at the branch point in gentamicin biosynthesis. ChemBiol 21:608-618.

[2]Huang C, Huang F, Moison E, Guo J, Jian X, Duan X, Deng Z, Leadlay PF, Sun Y (2015) Delineating thebiosynthesis of gentamicin X2, the common precursor of the gentamicin C antibioticcomplex. Chem Biol 22:251-261.

相關論文信息

標題Methyltransferases of gentamicin biosynthesis

作者Sicong Li, Junhong Guo, Anna Reva, Fanglu Huang, Binbin Xiong, Yuanzhen Liu, Zixin Deng, Peter F. Leadlay and Yuhui Sun

發表日期published ahead of print January 22, 2018,

摘要Gentamicin C complex from Micromonospora echinospora remains a globally important antibiotic, and there is revived interest in the semisynthesis of analogs that might show improved therapeutic properties. The complex consists of five components differing in their methylation pattern at one or more sites in the molecule. We show here, using specific gene deletion and chemical complementation, that the gentamicin pathway up to the branch point is defined by the selectivity of the methyltransferases GenN, GenD1, and GenK. Unexpectedly, they comprise a methylation network in which early intermediates are ectopically modified. Using whole-genome sequence, we have also discovered the terminal 6′-N-methyltransfer required to produce gentamicin C2b from C1a or gentamicin C1 from C2, an example of an essential biosynthetic enzyme being located not in the biosynthetic gene cluster but far removed on the chromosome. These findings fully account for the methylation pattern in gentamicins and open the way to production of individual gentamicins by fermentation, as starting materials for semisynthesis.

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