导语
贝第高林1（Beticolin 1）是一种具有抗菌和抗肿瘤活性的天然产物，它由一个蒽醌和一个卤代氧杂蒽酮通过特殊的双环[3.2.2]壬烷连接而成。近日，江南大学饶义剑教授课题组利用光介导的比较转录组学鉴定了尾孢菌中贝第高林1的生物合成基因簇；并在阐明贝第高林1的生物合成途径的过程中，发现了一种催化蒽醌开环的新型非血红素铁加氧酶BTG13，其活性中心的铁离子与4个组氨酸，1个特殊的羧化赖氨酸（Kcx377）及1个水分子配位。此外，晶体结构分析以及体外实验表明氨基酸His58和Thr299可以通过调节赖氨酸的羧化进而影响BTG13的酶活。相关成果以“Discovery
of the Biosynthetic Pathway of Beticolin 1 Reveals a Novel Non-heme
Iron-dependent Oxygenase for Anthraquinone Ring Cleavage”为题发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202208772）。
前沿科研成果
植物毒素Beticolin 1 生物合成途径的解析发现了一种新型金属酶
利用光介导的比较转录组学，本文作者首先鉴定出了尾孢菌中贝第高林1的生物合成基因簇（BTG BGC），并对终产物Beticolin 1（2）的结构进行了表征鉴定（Fig. 1）。为研究2的生物合成过程，作者对BTG BGC包含的16个基因逐个进行了敲除，并基于基因敲除结果和前人关于蒽醌和氧杂蒽酮类天然产物生物合成的报道，提出了2的生物合成过程（Fig. 2）。其中，BTG13被认为参与蒽醌的开环过程。
Figure 1. Identification of the BTG BGC by light-mediated comparative transcriptomics in fungi Cercospora sp. JNU001.（来源：Angewandte Chemie International Edition）
随后，作者对2生物合成中蒽醌开环的分子机制展开研究。考虑到BTG7和BTG13与之前文献报道的GedF和GedK有一定的同源度，因此BTG7和BTG13可能催化类似的反应。体外酶活表征表明，GedF可以催化大黄酚（6）产生中间体12，后者可以进一步被BTG13转化为13（Fig. 3a）。
Figure 2. Proposed biosynthetic pathway of beticolin 1 governed by BTG gene cluster.（来源：Angewandte Chemie International Edition）
Figure 3. Identification and characterization of BTG13 is a novel non-heme iron enzyme.（来源：Angewandte Chemie International Edition）
为了进一步研究BTG13催化过程中的分子机制，作者解析了BTG13的晶体结构。晶体结构表明, BTG13是一种金属酶，其活性中心的金属离子与His55、His58、His296、His374、Lys377以及1个水分子配位。此外，作者在Lys377的上方观察到很强的电子密度，这表明Lys377可能是以羧化或乙酰化修饰的形式参与反应（Fig. 3c-f）。考虑到羧化赖氨酸（Kcx）往往会与金属离子作用，因此作者认为Lys377是以羧化形式参与反应的，这一结论也得到体外实验的证实。之后，作者通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）以及体外实验进一步证明活性中心的金属为铁离子。上述实验表明BTG13是一种新型的单核非血红素铁金属酶。进一步的晶体结构分析以及体外酶活测试表明，Thr299和His58参与介导Lys377的羧化，从而调节BTG13的催化活性（Fig. 4）。最后，通过分子对接和定点突变，作者对BTG13的底物结合口袋进行了分析，并基于相关报道推测了BTG13的催化机制。
Figure 4. Identification of core residues in the vicinity of carboxylated lysine.（来源：Angewandte Chemie International Edition）
总结：作者利用光介导的比较转录组学鉴定了尾孢菌中贝第高林1的生物合成基因簇，并在阐明贝第高林1的生物合成途径的过程中，发现了一种催化蒽醌开环的新型非血红素铁加氧酶 BTG13。进一步的研究发现Thr299和His58参与介导Lys377的羧化，从而调节BTG13的催化活性。最后，基于分子对接和定点突变，作者分析了BTG13的结合口袋并对其催化机制进行了推测。上述工作在线发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202208772），江南大学博士生侯晓冬和许会宾为该论文的共同第一作者，饶义剑教授为该论文的通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2018YFA0901700）、江苏省自然科学基金（BK20202002）和江苏省研究生科研创新计划（KYCX20_1812 & KYCX20_1816）等基金资助。
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饶义剑教授简介
饶义剑，教授，博士生导师，国家级引进青年人才、江苏省特聘教授、江苏省333工程第二层次人选、江苏省双创人才和太湖创新领军人才；长期以合成生物学、结构生物化学、合成化学和发酵工程等方法系统开展“复杂天然产物（药物）的生物合成、重要生物转化过程与生物催化反应”等方面的研究，近年来在Nature Commun、PNAS、Angew、Chem Eng J、ACS Catalysis、Water Research、Green Chem等杂志发表高水平研究论文40余篇，主持包括国家重点研发计划（合成生物学专项和绿色生物制造）、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家级引进人才项目、江苏省特聘教授等在内的科研与人才项目10余项，指导学生获得江苏省优秀毕业论文奖，担任Chinese Journal of Natural Medicine杂志的青年编委。
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