昆明植物所在真核蛋白翻译抑制剂放线菌酮和放线菌酚的生物合成研究中取得重要进展
放线菌酮（Cycloheximide,CHX）是1947年从链霉菌中发现的一类含有戊二酰亚胺单元的天然产物。由于其强效的真核生物蛋白合成抑制活性和独特的抑制机制，其被广泛用于生物医学研究，作为抑制蛋白合成的工具分子。放线菌酚（Actiphenol,APN）与CHX拥有相同的化学结构骨架，但区别在于APN含有芳香酚环而非环己酮基团。在前期研究中，作者研究团队证明了两者的产生由同一个生物合成途径控制，并初步推测了CHX中的环己酮环可能来源于APN中芳香酚环的去芳构化（Yin et al. Org Lett,2014）。然而，CHX和APN生物合成中的很多细节并未揭示，特别是CHX中完全还原的环己酮环和APN中芳香酚环的形成机制尚不清楚。
中国科学院昆明植物研究所黄胜雄研究团队和云南大学尹敏研究团队采用了基因失活、化学合成和体外生化等实验对放线菌酮和放线菌酚的生物合成机制进行研究。首先通过有机合成的手段获得了关键的新生聚酮中间体3，以3为底物验证了含三结构域的羧酸还原酶(ChxJ)的功能，发现它能催化中间体3的末端羧基还原成醛基；随后验证了P450酶（ChxI）的功能，发现其单独不能催化游离的底物，而是需要和ChxJ协同反应将聚酮中间体3中C-8的羟基氧化成酮基，深入研究发现，ChxJ的A结构域激活并加载3到ACP上，接着ChxI将3-S-ACP中的C-8羟基氧化，再由ChxJ的R结构域还原硫酯键获得关键中间体4，4再通过自发地发生分子内羟醛缩合和脱水芳构化形成APN。最后开展了烯酰还原酶(ChxG)的功能研究，发现其并不能催化APN的还原去芳构化反应，而是将中间体4中C12-C13双键还原为饱和键，从而阻止C9-C14环化中间体的自发芳构化，并生成新的中间体10，该中间体随后可自发进行醛醇缩合脱水生成11(图1)。而化合物11可以在非酶催化条件下转化为化合物6，再经酮还原酶(ChxH)的作用下生产最终的产物放线菌酮（CHX）。至此，作者团队完整解析了放线菌酮和放线菌酚的生物合成途径，并对2014年提出的假设（Yin et al. Org Lett,2014）进行了修正。研究结果表明，CHX和APN并非如先前推测的那样由APN催化氢化去芳构化产生CHX，而是自trans-AT PKS合成了碳骨架后，通过两个平行的途径分别产生的。该研究揭示揭示了自然界由单一基因簇控制两个天然产物CHX和APN平行合成的机制。此外，该研究也拓展了对天然产物生物合成中氧化还原酶介导的六元芳香酚和六元碳环环己酮基团形成的认知，为未来的组合生物合成和合成生物学构建芳香和非芳香的六元碳环奠定了基础。
以上研究成果以Uncovering the Parallel Biosynthetic Pathways of the Cyclohexanone and Phenol Rings in Cycloheximide and Actiphenol by Tailoring Redox Enzymes为题于2024年8月17日在期刊ACS Catalysis上在线发表。中国科学院昆明植物研究所黄胜雄研究员、颜一军研究员和云南大学尹敏副研究员为文章共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金，中国科学院和云南省云岭学者等项目的资助。
图1 推测的CHX和APN的生物合成途径