放线菌中膦酸三肽K-26的生物合成研究

Phosphonates (Phns) refer to a group of compounds containing carbon-phosphorus (C-P) bond in chemical structures. Around a dozen of naturally occurring small molecule Phns have been identified and two of them have been successfully developed as drugs.For example,Fosfomycin has been clinically used as anti-infection agent and Phosphinothricin tripeptide has been agriculturally used as herbicide. However, only one enzymological mechanism, phosphoenolpyruvate (PEP) inter-molecular rearrangement reation catalyzed by PEP mutase, has been recognized for the biosynthesis of the Phns C-P bond. Phns tripeptide K-26 is produced by certain Actinomyces strains and its C-P bond biosynthesis mechanism has been shown to be different from the known mechanism through an isotope labeled precursor feeding experiment. The carbon of K-26 C-P bond originates from tyrosine while the origin of phosphorus remains obscure. In this project, we will characterize K-26 biosynthesis gene cluster and its biosynthesis pathway. It will reveal a brand new enzymological mechanism for the biosynthesis of the C-P bond.

膦酸类化合物是指分子结构中含有碳磷键的化合物，在结构已知的十数种膦酸类小分子天然产物中开发成药的就有两个，磷霉素（抗感染）和双丙氨膦（除草剂）。膦酸类天然产物中碳磷键的生物合成机制迄今为止知道的只有一种，即磷酸烯醇式丙酮酸变位酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸分子内重排反应。K-26是放线菌产生的一个膦酸三肽小分子化合物，已有的同位素标记的前体物喂养实验表明K-26的碳磷键不是通过这种已知的生物化学反应合成的。它的碳原子来源于酪氨酸，磷原子来源于什么前体物尚不知道。本研究将克隆K-26的生物合成基因簇，阐明K-26的生物合成途径，揭示一种崭新的碳磷键生物合成酶学机制。

膦酸是指分子结构中含有碳磷键的化合物，本项目的研究对象膦酸三肽K-26是微生物产生的一种寡肽类天然产物。K-26的结构可以表述为Ac-Ile-Tyr-AHEP，AHEP简称为膦酪氨酸。迄今为止，已知的膦酸天然产物（比如磷霉素，草铵膦等）的碳磷键都是磷酸烯醇式丙酮酸变位酶催化的磷酸烯醇式丙酮酸分子内的变位反应形成的。但是，已有的研究结果表明K-26的碳磷键不是磷酸烯醇式丙酮酸变位酶催化合成的。这代表了一类全新的碳磷键生物合成机制。受本项目资助后，我们通过全基因组测序，得到了K-26产生菌株太空孢囊菌Astrosporangium hypotensionis K-26和无淀粉链孢囊菌Streptosporangium nondiastaticum的全基因组序列。通过与不产K-26的玫瑰链孢囊菌Streptosporangium roseum基因组序列比较（全基因组序列已公布），我们发现了两个潜在的天然产物生物合成基因簇。通过同源双交换介导的大片段缺失实验，我们证实其中的一个基因簇是膦酸三肽K-26的生物合成基因簇。对基因簇中可能与酰胺键合成相关的phn5基因进行同框缺失，高分辨质谱和31P NMR检测发现突变株不再产生K-26，但是可以产生膦酪氨酸AHEP。这表明K-26的合成是先形成碳磷键后形成酰胺键的。对基因簇中可能与碳磷键合成相关的phn7基因（编码依赖于S-腺苷甲硫氨酸自由基的结构域和依赖于磷酸吡哆醛脱羧酶的结构域）进行同框缺失，31P NMR检测没有发现特异性的信号峰，质谱检测既没有发现K-26也没有发现膦酪氨酸AHEP，表明突变株不再产生含有碳磷键的化合物组份。基于基因簇编码的蛋白质序列信息和基因突变实验结果，我们推导了膦酸三肽K-26的生物合成途径，提出了K-26的碳磷键是以酪氨酸为底物通过脱羧反应和一个依赖于自由基的反应形成的新机制。