螺环乙酰乙酸内酯类抗生素中4-羟乙酰乙酸内酯结构形成的酶催化分子机理研究

Spirotetronate antibiotics, produced by actinomyces, are a growing class of natural products with potent antitumor and antibacterial activities, possessing a macrocyclic polyketide backbone consisting of a decalin system and a tetronic/tetramic acid moiety spiro-linked with a cyclohexene ring with glycosylation modification. At present, the studies on molecular mechanism of the formation of spirotetronate natural products catalyzed by enzymes are limited, especially tetronic/tetramic acid which is core unit of spirotetronate antibiotics. Here, we study on molecular mechanism of tetronic acid formation catalyzed by enzymes in the biosynthesis pathways of chlorothricin and tetrocarcin A by X-ray crystallography, in vivo and in vitro characterization of activity. The interactions between enzymes and substrates will be clarified. Finally, conservative and specific mechanisms of tetronic acid formation catalyzed by enzymes are further illuminated by comparing the two enzymatic reactions, these results provide an important theoretical basis for rational improvement of structure and output of the antibiotics with the biosynthetic method.

螺环乙酰乙酸内酯类抗生素是一类由放线菌产生、具有抗肿瘤和抗菌活性的天然产物，其结构主要由萘环和以螺环方式与环己烯相连的4-羟乙酰乙酸内酯（或吡咯烷-2,4-二酮）组成的大环聚酮骨架，加上不同程度的糖基化修饰而成。目前，对螺环乙酰乙酸内酯类天然产物结构形成的酶催化分子机理研究非常有限，尤其是其核心单元4-羟乙酰乙酸内酯（或吡咯烷-2,4-二酮）。本研究将从氯丝菌素和替曲卡星A出发，利用X-射线结晶学、体内和体外活性测试相结合的方法对其核心结构4-羟乙酰乙酸内酯形成的酶催化分子机理进行研究，充分阐明酶与底物之间的相互作用，进而通过比较这两类酶反应揭示酶催化4-羟乙酰乙酸内酯形成机制的保守性和特异性，为利用生物合成方法合理改进此类抗生素的结构和产量提供了重要的理论依据。

螺环乙酰乙酸内酯类抗生素是一类由放线菌产生、具有抗肿瘤和抗菌活性的天然产物，其结构主要由萘环和以螺环方式与环己烯相连的4-羟乙酰乙酸内酯（或吡咯烷-2,4-二酮）组成的大环聚酮骨架，加上不同程度的糖基化、氧化修饰而成。目前，对螺环乙酰乙酸内酯类天然产物结构形成的酶催化分子机理研究非常有限。本研究从氯丝菌素出发，利用X-射线结晶学和体外活性测试相结合的方法对具有宽泛底物容忍性的细胞色素P450氧化酶ChlE2催化罕见的甲基连续氧化为羧基的分子机理进行研究，获得了ChlE2的晶体结构。结构和点突变分析表明：氨基酸Arg173对底物的氧化起了关键作用，ChlE2在结合底物后将反应口袋关闭的诱导契合机制；同时还确定了其它的六个关键氨基酸残基对控制底物的氧化进程起重要的作用，为利用生物合成方法合理改进此类抗生素的结构和产量提供了重要的理论依据。