非典型角蒽环聚酮化合物氧化开环酶的功能分化研究

The oxidative ring opening reaction plays a critical role in the structure diversification of atypical angucycline polyketides. A unique family of oxidative ring opening enzymes catalyze this reaction, the reaction mechanism is not fully understood. Although these oxidases use the same substrate (dehydrorabelomycin), different enzymes produce different products with divergent structures. In this study, we intend to characterize the reactions catalyzed by oxidative ring opening enzymes from several angucycline biosynthesis clusters with different skeletons, including AlpJ, JadG, GilOII and ChryOII. By comparing the reaction conditions and their behaviors with auxiliary proteins, the key factors determining the reaction outcomes leading to different skeleton structures of ring opening products will be elucidated. By sequence comparison and structural analysis, the key residues involved in catalysis and the reaction mechanism of ring opening reaction will be deduced. These studies will provide comprehensive understanding of the function of this family of ring opening oxidases and key factors determining structure divergence, they will also lay the foundation for the application of these unique oxidases in structure modification of polyketides and synthetic biology.

氧化开环反应是非典型角蒽环聚酮形成不同骨架结构的关键节点。自然界中有一类独特的氧化开环酶催化这一反应，尽管反应底物相同，其反应条件与产物结构却各不相同。本项目拟对参与不同骨架结构聚酮合成的氧化开环酶AlpJ、JadG、GilOII与ChryOII等的功能分化开展研究，在对酶功能进行详细表征的基础上，交叉互换不同酶的反应条件与辅助蛋白组合，测试氧化开环酶自身以及外在反应条件对于产物结构的影响力，确定决定氧化开环产物骨架结构的关键因素。同时，结合反应动力学、反应中间体以及蛋白质晶体学研究，确定参与催化过程的关键残基，推测氧化开环及重排反应的反应机理。这将有助于我们全面认识该家族氧化开环酶的催化机理，深入理解角蒽环聚酮结构分化的关键因素，同时也为此类特殊氧化酶用于已知聚酮化合物的结构改造及合成生物学的应用打开一扇大门。

非典型角蒽环聚酮化合物是一类具有抗肿瘤活性的天然产物。在其生物合成过程中发生氧化碳碳键断裂，打开原有苯并[a]蒽骨架的B环，并发生重排反应，合成四类不同骨架（杰多霉素骨架、醌那霉素骨架、fluostatin骨架及gilvocarcin骨架）的产物。一类独特的加氧酶催化这一氧化开环和重排反应，对这类化合物特殊骨架的合成具有重要意义，被称为氧化开环酶。本项目对已知非典型角蒽环聚酮基因簇中的代表性氧化开环酶进行了深入的催化功能研究。证实生物合成中间体CR1也是氧化开环酶的底物，JadG（杰多霉素骨架）可以催化CR1发生氧化开环和氨基酸掺入反应生成杰多霉素A，AlpJ（醌那霉素骨架）可以催化CR1发生氧化开环反应。证实Flu17（fluostatin骨架）的催化功能与AlpJ一致，表明fluostatin骨架类天然产物是从醌那霉素骨架类生物合成中间体经过进一步重排反应合成的。通过晶体结构分析与酶定点突变研究，证实AlpJ中残基S219、F156和Y190对于酶催化活性或结构稳定性具有重要影响。通过交换JadG和AlpJ体外酶学反应的实验条件，证明氧化开环酶本身足以决定氧化开环和重排产物的骨架结构。这些结果为深入理解氧化开环酶的催化机制奠定了基础，也为通过氧化开环酶的序列比较和进化分析，搜索新颖催化功能的氧化开环酶以及新骨架结构的非典型角蒽环聚酮天然产物，提供了重要的指导信息。