浅蓝霉素A生物合成通路中氨基转移酶CrmG的结构生物学研究

Caerulomycin A belongs to the family of natural products containing a 2,2′-bipyridyl ring core structure. Besides having strong antifungal, antiamoebic, antitumor activities, Caerulomycin A was also demonstrated to have novel bioactivities in immunosuppression. Recently, Nostrum Pharmaceuticals is engaged in developing Caerulomycin A as a novel immunosuppressor. CrmG is a newly identified ω-aminotransferase, which utilize 2,2′-bipyridyl ring as amino acceptor and involve in Caerulomycin A biosynthesis. In pharmaceutical industries, ω-aminotransferase has attracted growing attention as a promising catalyst to produce chiral amines. Compared with other ω-aminotransferases, CrmG contains three unique sequence insertions, which is predicted to be close to the active site in 3D structure. Here, we will carry out structural studies for CrmG to understand the catalytic mechanism. This project will provide structural insight to the production of novel Caerulomycin A analogues with bioactivities. Currently, we have solved crystal structure of apo CrmG and found a unique subdomain. We also obtained crystals of CrmG-PLP complex and CrmG-Glu complex.

浅蓝霉素A是一种具有新颖的2,2′-双吡啶环结构的天然化合物。除了具有很强的抗真菌、抗阿米巴和抗肿瘤活性外，它还具有显著的免疫抑制活性。美国Nostrum制药公司正致力于将浅蓝霉素A开发为新型的免疫抑制剂。CrmG是在浅蓝霉素A的生物合成中发挥重要作用的ω-氨基转移酶。ω-氨基转移酶在制药业手性胺的合成中具有极大的运用潜力。与其它ω-氨基转移酶相比，CrmG具有三段独特的、空间结构上可能靠近活性中心的氨基酸序列。目前，这三段独特序列的功能和CrmG的催化机理还不清楚。本课题拟通过CrmG的结构生物学研究，阐明CrmG的催化机理，探讨CrmG的底物选择机制，为利用CrmG高效合成浅蓝霉素A及其类似物提供理论依据。我们已经获得了apo形式的CrmG晶体结构，并发现了一个独特的亚结构域；还获得了CrmG与辅酶PLP、CrmG与底物Glu的复合物晶体。这些前期工作，为我们完成本项目奠定了基础。

氨基转移酶是以5′-磷酸吡哆醛(PLP)为辅酶，将氨基由氨基酸转移到酮酸的酶。氨基转移酶在制药工业手性胺的合成中具有极大的运用潜力。CrmG是最近发现的、以2,2′-双吡啶环化合物为氨基受体、并催化浅蓝霉素A生物合成的氨基转移酶。浅蓝霉素A除了具有抗真菌、抗抗阿米巴、抗肿瘤活性外，还具有显著的免疫抑制活性。目前，美国Nostrum制药公司正致力于将浅蓝霉素A开发为新型的免疫抑制剂。本项目通过生化实验发现，以L-Glu、L-Gln或L-Ala为氨基供体，CrmG催化CRM N合成具有很高的产物转化率，CrmG的活性几乎不受副产物的影响。为了阐释CrmG的催化机制，尤其是CrmG规避副产物抑制的机制，我们解析了apo CrmG、CrmG/PLP复合物、CrmG/PMP复合物、CrmG/L-Glu复合物、CrmG/L-Gln复合物、CrmG/L-Ala复合物以及CrmG/CRM M复合物的晶体结构。晶体结构表明，CrmG具有一个独特的亚结构域(additional domain)。apo CrmG的活性位点的结构是柔性的，PLP的结合导致活性位点发生结构重排。与CrmG与PLP复合物相比，CrmG与PMP复合物中的活性位点也是不稳定的，L-Glu、L-Gln或L-Ala的脱氨基产物不能稳定这些不稳点的位点，这些副产物也就不能有效的从PMP中接收氨基，因此这些副产物不能显著的抑制CrmG的活性。此外，我们还发现，与CrmG结合越强的氨基供体，其脱氨基后的副产物对CrmG活性的抑制能力也越强。本项目不仅为浅蓝霉素A的生物合成奠定了基础；也将有利于氨基转移酶的理性改造和指导氨基受体的选择以消除副产物对氨基转移酶活性的抑制，为氨基转移酶广泛的工业化运用奠定基础。