武汉大学孙宇辉组：庆大霉素甲基化网络原来也可以如此优美 | PNAS论文推荐

责任编辑 谭坤

2018年2月6日，《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）正式发表了武汉大学药学院孙宇辉教授课题组关于庆大霉素甲基化代谢网络催化机制的合作研究论文(论文信息见文末），这也是该课题组继2014和2015年连续在 Cell 子刊 Chemistry & Biology 发表庆大霉素生物合成机制系列研究成果以来^[1，2]，再次在该领域取得的最新突破。在这项最新的研究成果中，孙宇辉教授课题组与剑桥大学生物化学系 Peter F. Leadlay 教授课题组合作，从单基因功能的探究到多基因网络的解析，全面揭示了一个全新的庆大霉素甲基化立体交叉代谢网络，为庆大霉素复杂多组分的产生提供了合理的解释，更重要的是为理性获得高效低毒庆大霉素单组分提供了一张清晰的代谢线路图。

庆大霉素（Gentamicin）作为氨基糖苷类抗生素的核心成员，由于其显著的临床疗效，一度成为治疗由革兰氏阴性菌所引发严重感染的首选药物，为人类的健康立下了汗马功劳。然而，伴随着日益严重的抗生素耐药性问题，及其内在的肾毒性和耳毒性等副作用，如何研制出更为高效安全的庆大霉素，让这一经典老药焕发出新的活力，已成为人们的迫切需求。为此，从本质上对其长久以来未曾全面解析的生物合成机制的阐明，是利用合成生物学等手段进行定向优化改造，以创新氨基糖苷类抗生素的重要基础与前提，也是当前该领域的研究热点之一。

作为一个化学结构并不复杂的氨基糖苷分子，庆大霉素存在着令人惊奇的、极其复杂多样的甲基化和氨基化修饰，这些修饰既是庆大霉素结构多样性和生物活性展示的重要功能基团，同时也是耐药性产生的关键结构单元。孙宇辉教授课题组在成功解析了由庆大霉素A2到最终庆大霉素复合物的关键共同中间体的生物合成机制，以及破解了庆大霉素生物合成的关键中枢的基础上，与Peter F. Leadlay教授再度联手，系统地从分子遗传学、生物化学和化学生物学的角度揭示出全新的庆大霉素甲基化修饰的生物合成机制，其 C- 6’、N-3’’和 C-4’’上的甲基化相对独立，突破了人们对庆大霉素甲基化“串联式”顺序依次发生的传统认识，首次建立了“并联式”多轮甲基化修饰的立体网络模型（图1）。巧合的是这些经不同程度甲基化修饰的中间体恰好可以完美地位于正四面体的顶点，如果尚未甲基化的起始中间体从第一个顶点出发，经过任意一条通道，均可完成在 C- 6’、N-3’’和 C-4’’上的三步甲基化，最终到达与第一个顶点相对的出口。这不禁让人感叹自然界的创造力竟是如此的神奇和美妙！

图1. 庆大霉素甲基化代谢网络示意图

绿色球体所包含的分子为庆大霉素甲基化前体DAA2，分别在庆大霉素N-3’’、C-4’’和C- 6’上发生的甲基化依次用红色、橙色和蓝色表示。箭头表示甲基化催化反应及其方向。

本研究另一个显著突破在于成功定位了负责庆大霉素生物合成最后一步甲基化基因。利用全基因组测序及生物信息学分析，结合体外酶学和体内遗传等手段，筛选并确证了人们长期以来寻寻觅觅而未得的负责庆大霉素 N-6’位甲基化的甲基转移酶合成基因，使这个距离基因簇2.54 Mb之遥的“迷失孤儿”得以回归，这一结果也最终填补上了庆大霉素甲基化修饰网络中的最后一块“拼图”。

课题组介绍 孙宇辉教授课题组长期致力于微生物来源，尤其是放线菌天然产物生物合成机制解析与药物创新工作，并取得了一系列重要进展。自剑桥大学回国七年多来，孙宇辉教授以通讯作者先后在Nature Chemical Biology、Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America、Cell Chemical Biology、Angewandte Chemie International Edition等国际著名期刊发表论文近二十篇。

参考文献

[1]Guo J, Huang F, Huang C, Duan X, Jian X 47 31367 47 14989 0 0 2726 0 0:00:11 0:00:05 0:00:06 2966, Leeper F, Deng Z, Leadlay PF, Sun Y (2014) Specificity andpromiscuity at the branch point in gentamicin biosynthesis. ChemBiol 21:608-618. 

http://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S1074-5521(14)00110-0

[2]Huang C, Huang F, Moison E, Guo J, Jian X, Duan X, Deng Z, Leadlay PF, Sun Y (2015) Delineating thebiosynthesis of gentamicin X2, the common precursor of the gentamicin C antibioticcomplex. Chem Biol 22:251-261.

http://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S1074-5521(14)00460-8

相关论文信息

标题 Methyltransferases of gentamicin biosynthesis

作者 Sicong Li, Junhong Guo, Anna Reva, Fanglu Huang, Binbin Xiong, Yuanzhen Liu, Zixin Deng, Peter F. Leadlay and Yuhui Sun

发表日期 published ahead of print January 22, 2018, 

doi https://doi.org/10.1073/pnas.1711603115

摘要 Gentamicin C complex from Micromonospora echinospora remains a globally important antibiotic, and there is revived interest in the semisynthesis of analogs that might show improved therapeutic properties. The complex consists of five components differing in their methylation pattern at one or more sites in the molecule. We show here, using specific gene deletion and chemical complementation, that the gentamicin pathway up to the branch point is defined by the selectivity of the methyltransferases GenN, GenD1, and GenK. Unexpectedly, they comprise a methylation network in which early intermediates are ectopically modified. Using whole-genome sequence, we have also discovered the terminal 6′-N-methyltransfer required to produce gentamicin C2b from C1a or gentamicin C1 from C2, an example of an essential biosynthetic enzyme being located not in the biosynthetic gene cluster but far removed on the chromosome. These findings fully account for the methylation pattern in gentamicins and open the way to production of individual gentamicins by fermentation, as starting materials for semisynthesis.

链接 http://www.pnas.org/content/early/2018/01/17/1711603115

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