【人物与科研】复旦大学张琪教授课题组：砷糖生物合成过程中关键酶ArsS的催化机制
导语
砷是一种重要的非金属元素，在自然界广泛存在。砷糖作为一种重要的有机砷类化合物，有超过二十多种被报道，然而该类化合物的生物合成途径还不太清楚。近日，复旦大学化学系张琪教授课题组报道了砷糖生物合成过程中关键酶ArsS的催化机制，揭示了砷糖中糖基单元的连接过程（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202015177）。
张琪教授课题组简介
复旦大学张琪教授课题组主要集中于活性天然产物的发现，生物合成和作用机制研究。课题组在生物合成途经异源表达，化学酶学合成，酶催化反应机制，复杂多肽的鉴定和表征等方面具有较强的基础和优势。近年来课题组在Nature Communications, PNAS, JACS, Angew. Chem. Int. Ed.等多个杂志上发表论文近50余篇，其成果被美国化学化工新闻周刊C&E News等多类媒体予以专文报道，并被Science、Faculty of 1000、Nat. Prod. Rep.、Curr. Opin. Biotech.等多个杂志予以亮点评述。
张琪教授简介
张琪，复旦大学化学系教授，博士生导师。主要研究兴趣涉及新型抗生素的发现、生物合成及作用机制研究。2003年于复旦大学化学系获得理学学士学位，2010年于中科院上海有机化学所获得博士学位，此后在伊利诺伊大学香槟分校开展博士后研究，2014年回到复旦大学化学系开展独立工作。曾获得化学结构学会奖、国际化学生物学会青年化学生物学家奖等多个国际性奖项，目前担任《Frontiers in Chemistry》和《Frontiers in Molecular Bioscience》杂志副主编和《Journal of Chinese Chemistry》青年编委。
前沿科研成果
砷糖生物合成过程中关键酶ArsS的催化机制
砷是一种广泛存在于自然界中的非金属元素，一些含砷化合物，例如砒霜（三氧化二砷）、雄黄（四硫化四砷）、雌黄（三硫化二砷）等等在很早就被人们所认识。砷糖是一类含有核糖结构的有机砷化合物，这类化合物在近几十年才被发现认识，目前已经有超过20种砷糖被发现报道。砷糖类化合物被认为砷甜菜碱、砷糖磷脂等重要含砷化合物的生物合成前体。此外，由于这类化合物毒性较低，砷糖的生物合成被视为是生物体对摄入砷的一种解毒策略。然而目前对砷糖生物合成路径的研究还不是很彻底，很多关键的反应步骤仍未被解释清楚。下图是目前对砷糖生物合成途径的一种推测。
图1 砷糖可能的生物合成路径
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
S-腺苷甲硫氨酸（SAM）自由基酶家族是目前已知的最大的酶家族，目前这一酶家族已经拥有几十万个成员，而且还不断有新的酶被发现。SAM自由基酶特征性结合一个[4Fe-4S]簇，通过其可以催化SAM的还原裂解，生成高度活泼的5’-脱氧腺苷自由基（dAdo•）（图2A）。对于绝大部分反应而言，dAdo自由基通过攫取底物上的一个氢原子引发反应（图2B）。而目前越来越多得证据表明，反应也可以通过dAdo自由基加成的方式进行（图2C）。与攫氢反应不同，dAdo自由基加成将腺苷单元引入了底物，因此是一类腺苷化反应。复旦大学的张琪课题组在SAM自由基酶催化的腺苷化反应方面做了大量的开创性工作，相关综述见（Curr. Opin. Chem. Biol. 2020, 55, 86-95）。
图2. SAM自由基酶催化的生物转化反应
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
近日，张琪课题组在砷糖生物合成过程中揭示了另一类全新的自由基介导的腺苷化反应。作者通过体外生化实验，发现ArsS蛋白可以催化还原裂解SAM生成5’-脱氧腺苷自由基，证明ArsS是SAM自由基酶家族的一个成员。随后，作者研究了ArsS酶与疑似底物二甲基亚砷酸（DMAsIII）的反应，找到了产物二甲基砷腺苷（DDMAA）。随后的一系列严格的机制研究证明，ArsS的活性不需要外源还原剂即可实现。基于这些研究结果，作者推测出如图3所示的ArsS催化反应机制：在酶中心[4Fe-4S]簇还原作用下，SAM转化为甲硫氨酸（L-Met）和5-脱氧自由基。5-脱氧自由基进攻DMAsIII的As中心，生成自由基中间体x，后者通过单电子氧化生成DDMAA。表明伴随中间体x氧化，失去的电子可以用于[4Fe-4S]的还原再生+1价的[4Fe-4S]簇，从而用于下一步SAM的断裂。作者同时也对ArsS催化的底物选择性，动力学特征等方面进行了详细的研究。
图3 推测的ArsS酶催化机制
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
此外，作者对ArsS可能的同源/同功酶进行基因挖掘和进化分析，发现此类酶在自然界中有非常广泛地分步(图4)。作者对多个不同来源的ArsS蛋白进行了表达纯化和活性测试，发现这些不同来源的ArsS酶具有较为相似的催化活性。这一结果说明ArsS酶催化二甲基亚砷酸腺苷化这一生命过程可能广泛存在于自然界中。该工作不仅揭示了砷糖生物合成过程中的重要步骤，也展示了自由基SAM酶家族在催化新型反应方面巨大的潜力。
图4 ArsS基因的挖掘及进化分析
（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
张琪课题组博士研究生程金铎为论文第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金委项目及国家重点研发项目的支持。
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