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孫宇輝課題組完成慶大黴素生物合成中的最後一塊“拼圖”
發佈時間:2021-09-26 09:39  作者:  來源:藥學院  閲讀:

新聞網訊(通訊員姚苑)近日,ACS Catalysis(《美國化學會催化》)發表了武漢大學藥學院鄧子新院士團隊孫宇輝教授課題組與英國劍橋大學、巴西聖保羅大學關於慶大黴素雙脱氧催化機制的最新合作研究成果。論文通過遺傳學、生物化學和結構生物學等多學科研究方法,成功揭示了慶大黴素生物合成中雙脱氧修飾的過程和催化機理,完成了曾經抗感染明星藥物慶大黴素複雜生物合成途徑的最後一塊“拼圖”。

論文題目為“Mechanistic Insights into Dideoxygenation in Gentamicin Biosynthesis”(《慶大黴素生物合成中雙脱氧的機理研究》)。武漢大學李思聰、聖保羅大學Priscila Dos Santos Bury以及劍橋大學的黃方呂為本文並列第一作者。

慶大黴素作為氨基糖苷類抗生素的經典代表,曾一度是治療革蘭氏陰性細菌感染的首選藥物。但伴隨着日益嚴重的抗生素耐藥性問題,以及慶大黴素自身的腎毒性和耳毒性,如何通過合成生物學方法研製出更為高效和更為安全的慶大黴素等新型氨基糖苷類藥物,已成為人們的迫切願望。為此,對其生物合成途徑徹底清晰的闡明,尤其是對賦予了慶大黴素對抗部分鈍化酶特性的C-3’和C-4’的雙脱氧分子結構的形成機制,是對其進行理性改造的重要基礎與前提,也一直吸引着人們好奇和探索的目光。

在前期系統研究積累的基礎上,課題組通過對可能涉及雙脱氧的PLP依賴的轉氨酶候選編碼基因進行體內遺傳敲除,證實了GenB3和GenB4參與該過程,並通過鑑定的數箇中間產物,説明該過程實際上包括連續的脱雙羥基和雙鍵還原步驟。再經GenB3和GenB4的重組表達,並以分離獲得的中間產物為底物進行嚴格的體外生化驗證,發現脱雙羥基並非單一的反應,除了磷酸化酶GenP負責的中間體磷酸化之外,它包含了連續的脱磷酸、異構化、脱氨基和轉氨過程,而這些複雜的變化均由GenB3單獨催化完成。

另一方面,GenB4主導的雙鍵還原並未使用還原型輔酶,而是非常規地通過亞氨基水解,間接地實現了還原,再通過GenB3轉氨,得到最終慶大黴素C組分產物。這個過程也因為不同尋常的還原方式,在同一位點反覆脱氨或轉氨多達四次。整個催化過程在簡單的表象之下藴藏着自然界天然產物獨特而精彩的催化機理。課題組還發現GenB3和GenB4雖然氨基酸序列極其相似,但功能卻不盡相同。通過對其蛋白晶體的結構解析,表明GenB3中第57位的Ser和GenB4中第52位Asp可能是引發其功能不同的關鍵所在,即僅僅一個氨基酸位點的不同,最終決定了兩者功能的巨大差異。

據悉,本研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金國際(地區)合作與交流重點項目的資助。

論文鏈接://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03508

(供圖:藥學院 編輯:付曉歌、相茹)

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