13C标记靶向性挖掘新颖双功能萜合酶催化的萜类化合物

Abstract: Terpenoids encoded by bifunctional terpene synthase genes remain a rich source of novel compounds for drug leads contributing immensely to the development of many products for diverse indications. However, the discovery of BFTPS catalyzed terpenoids is limited by cryptic nature of related gene clusters and difficulties in targeted purification. Based on the in-house phytopathogenic fungi genome database, this project was designed to realize the targeted and efficient discovery of novel terpenoids catalyzed by BFTPS through a combined strategy of genome-mining and 13C labeling. Preliminary bioinformatics analysis highlighted two phytopathogenic fungi containing novel BFTPSs, BG101 and BG102. We firstly intrdouced imaging mass spectrometry (IMS) as a high-throughput method of screening OSMAC culture extracts and figurie out the exact fermentation condition for activating silent BFTPS genes, followed by 13C labeling guided tracking isolation of targeted novel terpenoids. This platform would facilitate the discovery of numerous novel BFTPSs and biologically active molecules for drug discovery.

摘要：双功能萜合酶（Bifunctional terpene synthase, BFTPS）催化产生的萜类化合物具有复杂的结构特征和独特的生物活性，是发掘新型萜类药物先导化合物的重要资源。然而目前由于基因簇沉默、难以追踪分离等原因，该类天然产物的开发效率并不高。本项目围绕“如何高效激活和靶向快速鉴定新颖萜类化合物”关键科学问题，基于课题组已经积累的植物病原真菌库、基因组信息库以及生物信息学分析的成果基础，优选2株包含新颖进化地位双功能萜合酶的植物病原真菌为研究对象，以OSMAC策略结合成像质谱分析（IMS）高通量筛选激活BFTPS，并建立13C标记-HRMS靶向性分离平台快速鉴定活性新颖萜类化合物。本项目的提出对实现快速靶向性分离、鉴定具有潜在新颖作用机制的萜类药物先导化合物具有非常重要的科学意义和应用价值。

双功能萜合酶（Bifunctional terpene synthase, BFTS）催化产生的萜类化合物具有复杂的结构特征和独特的生物活性，是发掘新型萜类药物先导化合物的重要资源。本项目围绕“如何高效激活和靶向快速鉴定新颖萜类化合物”的关键科学问题，基于前期生信分析成果基础选择具有新颖进化地位的BFTS基因及含有多种后修饰酶的基因簇，通过基因敲除、异源表达等手段对其进行激活，并结合高分辨液质联用快速检测方法的建立（13C同位素标记法、特征分子网络比较代谢组分析），发现了AtAS/FoFS/CsSS/NnNS等4个编码新颖环系萜类中间体的BFTS，同时分离鉴定了BsPS/DvVS基因簇编码的12个新颖萜类后修饰产物，并初步阐明了这些萜类化合物的环化路径和生物合成机制，生物活性测试结果表明部分萜类化合物显示出一定的抗炎活性；同时依托本项目还从植物内生真菌中发现了具有抗菌或抗病毒作用的螺缩酮、铁载体等抗感染活性成分，解析了新颖内过氧键氧化酶FtmOx1的催化机制符合COX-like模型。本项目的实施对实现快速靶向性分离、鉴定具有潜在新颖作用机制的萜类、非萜类药物先导化合物具有非常重要的科学意义和应用价值。