是先有鸡，还是先有蛋的问题重现？（Nature专文点评，推荐）

喜欢我，就关注我哦（iNature）

iNature：是先出现鸡，还是先出现蛋呢？相似的问题，又被提出来了。最先出现的是：光合-氧化作用，还是保护细胞免受氧气损伤的化合物？但是，在地球光合-氧化作用之前，这种化合物可能已经在微生物中产生了。同时，这文章Nature专门进行了点评。

活细胞对氧诱导的损伤及代谢代谢产生的自由基很敏感。因此，生物体具有产生或获得抗氧化的能力，有助于减轻生物在地球高度氧化环境中的有害影响。但是，地球是一个无氧（厌氧）的行星，直到微生物通过光合作用生成氧（O2）的能力，但是现在又提出了一个鸡和鸡蛋的问题：首先发生了什么，光合作用或抗氧化系统【1】？在Angewandte Chemie杂志中， Burn等人通过报道厌氧细菌Chlorobium limicola可能通过不同于所有其他已知途径的酶反应产生推定的抗氧化剂麦角硫杆菌素（图1），来对抗氧化产生的损伤【2】。这意味着至少一些天然存在的化合物可能在早期厌氧环境中就有替代作用，随着环境变得更加氧化状态，而被用作抗氧化剂。

鸡与蛋的问题

以前认为麦角硫杆菌素的生物合成需要有氧环境。其组装通过一系列化学转化发生，从氨基酸组氨酸【3-7】开始。该途径的第一步在组氨酸的氨基上添加三个甲基，形成称为hercynine的中间体（图1a）。在诸如粗糙脉孢菌的真菌麦角硫杆菌生产者中，酶Egt1然后催化胞嘧啶和氨基酸半胱氨酸的氧化，并将它们结合形成亚砜中间体（图1b）;半胱氨酸是麦角硫杆菌素的硫原子的来源。类似的氧化过程由细菌如耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）中的酶EgtB和EgtC催化，肽γ-谷氨酰半胱氨酸用作硫供体。在真菌和细菌中，需要分子氧来接受在这些氧化反应过程中释放出的四个电子 - 这意味着草甘膦转化为亚砜需要有氧环境。

麦角硫杆菌素的工业合成

该途径的最后一步是亚砜的分解，这是由酶EgtE催化的过程（图1c）。所得的亚磺酸在合适的还原剂存在下直接转化为麦角硫素（图1d）。或者，在更加氧化的环境中，亚磺酸可以与其自身非酶催化反应，在该过程中形成麦角硫素并再生叶绿素。

麦角硫杆菌素产品

然而，Burn和同事已经发现，Chlorobium limicola 的基因组不具有与egtB同源的基因（即，从基因的DNA序列推断出与egtB共享祖先的基因），尽管具有egtD的同系物。他们发现细菌具有称为EanB的酶，其可以在不存在分子氧的情况下直接从hercynine和硫供体如硫代硫酸盐（S2O2-3）催化麦角硫素的产生（图1e）。

图.1 真菌和细菌产生麦角硫杆菌素的代谢过程

EanB类似于硫氰酸盐，它是一种使氰化物脱毒的酶，因此，通过从酶活性位点的半胱氨酸残基形成一个硫化物（SSH）基团，其反应可以以类似于硫氰酸【8,9】的方式进行。然后硫化物可能攻击hercynine以产生随后分解产生麦角硫杆菌素的“混合二硫化物”中间体。因此，尽管生活在完全厌氧的水域中，Chlorobium limicola 可能产生麦角硫杆菌素，其中它通过不产生分子氧作为副产物的一种光合作用，存在于硫源上。

麦角硫杆菌素碳硫键的形成

但是生物具有厌氧麦角硫素产生的基因，并不意味着它将实际产生化合物。然而，作者发现，需氧菌Salinibacter ruber - 比C.Licicola更容易培养，并且仅具有厌氧麦角硫杆菌途径的基因 - 确实产生了与依赖于有氧的细菌中看到的那些水平相当的麦角硫杆菌素途径。因此，似乎可能不仅在需氧细菌和真菌，而且在厌氧细菌中产生麦角硫素。

细菌进化分析

已经在植物和哺乳动物的细胞和组织中发现了雌激素，必须从环境中获得它们【10】。哺乳动物中麦角硫杆菌素的细胞积累需要特定的转运蛋白【11】，但是这种积累对于动物的存活似乎并不重要。例如，除了增加易氧化应激【10,12】之外，麦角硫素的缺失，小鼠的功能基本上不受影响。因此，雌激素可能主要用作保护性抗氧化剂，以及分子如谷胱甘肽和抗坏血酸（维生素C），尽管这仍然是一个公开的问题。

如果麦角硫杆菌素的主要作用是抗氧化剂，那么厌食菌为什么需要它？ Burn 等人对能够产生麦角硫杆菌素的生物进行系统发育分析，结果显示，这些微生物分解为两个主要不同的分支，取决于它们的基因组是否编码有氧EgtB或厌氧EanB。尽管还有待观察麦角硫素是否实际上是由厌氧生物产生的，但作者认为，厌氧和有氧通路之间的进化分歧可能发生在遥远的过去的某个时刻。因此，麦角硫素在早期地球的厌氧条件下具有重要的但尚未知的作用，后来才被选为生物抗氧化剂。

Burn和同事的研究结果表明，麦角硫杆菌生物合成途径值得进一步研究 - 不仅仅是对它所引起的不寻常的酶反应，而且也是深入了解其可能的功能。未来的观察方法将包括确定厌氧微生物是否确实产生麦角硫素，酶负责任的工作，以及最终的麦角硫素在这些生物体的生物化学中的作用。新发现的途径一般也揭示天然产物的进化和生物合成途径。

原文链接

http://www.nature.com/nature/journal/v551/n7678/full/551037a.html#f1

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201705932/epdf

猜你喜欢

---

温馨提示：iNature是介绍一流的，最前沿的科研成果，提供专业的完整的同行解析；另外也会介绍全世界知名的实验室及业界大师；同时为公众提供一个了解生命科学及科研过程的平台。扫描或长按下方二维码可关注“Plant_ihuman”，了解科学领域最新研究进展。另外，iNature公众号也开通了“爱科学爱自然”头条号，欢迎大家关注。

投稿、合作、转载以及招聘信息发布等事宜请联系[e-mail] 或微信号“13701829856”。