焦點(diǎn)日?qǐng)?bào)：我學(xué)者基于基因組靶向挖掘發(fā)現(xiàn)真菌黃酮生物合成新機(jī)制
【資料圖】
近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所（以下簡(jiǎn)稱“青島能源所”）呂雪峰團(tuán)隊(duì)在絲狀真菌中發(fā)現(xiàn)了黃酮生物合成基因簇（BGCs），通過(guò)合成途徑解析闡明了真菌黃酮合成新機(jī)制，豐富了對(duì)黃酮類化合物生物合成的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為合成生物技術(shù)開發(fā)提供了新的選擇，相關(guān)研究成果在期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表。
黃酮是廣泛存在于植物中的一大類天然產(chǎn)物，其在功能性食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，黃酮資源依賴于植物中獲得，受制于植物種植周期長(zhǎng)、分離純化工藝復(fù)雜等諸多弊端，黃酮產(chǎn)能小、成本高。因此，黃酮類產(chǎn)品的應(yīng)用開發(fā)和市場(chǎng)拓展也嚴(yán)重受限。利用合成生物技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建黃酮細(xì)胞工廠，推動(dòng)植物黃酮的微生物高效生產(chǎn)成為一種重要解決方案。由于物種差異，植物黃酮合成途徑在微生物中異源重構(gòu)面臨著適配性差、產(chǎn)量低等問(wèn)題，距離商業(yè)化仍有較大差距。
利用自抗性基因共定位（SRGD）策略是開展天然產(chǎn)物基因組挖掘的一種有效方式，為了尋找具有抗菌和除草活性的天然產(chǎn)物，青島能源所研究團(tuán)隊(duì)首先以合成支鏈氨基酸的關(guān)鍵酶乙酰乳酸合酶（ALS）為探針，在亮白曲霉中發(fā)現(xiàn)了負(fù)責(zé)合成黃酮類化合物氯黃酮的生物合成基因簇?；钚栽u(píng)價(jià)顯示，氯黃酮具有抑制擬南芥種子萌發(fā)和抑制病原菌生長(zhǎng)的活性，而體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)cfoL確實(shí)是編碼ALS的氯黃酮自抗性基因，因此具有開發(fā)成為除草劑和抗生素的潛力。
青島能源所研究團(tuán)隊(duì)已研究清楚植物黃酮的生物合成途徑。研究人員通過(guò)基因敲除、同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，亮白曲霉中查爾酮骨架由NRPS-PKS雜合酶CfoA以苯甲酸或?qū)αu基苯甲酸為起始單元與4分子乙酰輔酶A縮合形成，而非是植物的Ⅲ型PKS裝配模式，說(shuō)明真菌黃酮骨架合成機(jī)制與植物存在顯著差異。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因敲除和體外酶活實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CfoK催化查耳酮關(guān)環(huán)生成黃烷酮，這與植物中的CHI具有相同的功能。但是CfoK與目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的CHI存在不同的進(jìn)化關(guān)系?；贏lphaFold2預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬和定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)表明，CfoK通過(guò)His33介導(dǎo)的酸堿催化誘發(fā)查耳酮發(fā)生Oxa-Michael加成反應(yīng)，以6-endo-trig關(guān)環(huán)方式形成構(gòu)型專一的黃烷酮，這一機(jī)制不同于植物CHI中水介導(dǎo)的催化過(guò)程，因此CfoK是一種新穎的真菌查耳酮異構(gòu)酶。
亮白曲霉中由黃素依賴型氧化還原酶CfoJ行使黃酮合酶（FNS）功能，將黃烷酮轉(zhuǎn)化為黃酮，進(jìn)化樹分析顯示，其與已知的FNS I （2-酮戊二酸依賴型雙加氧酶）和FNS Ⅱ（細(xì)胞色素氧化酶P450）處于不同的分支。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CfoJ是通過(guò)典型的黃素依賴型氧化還原酶催化機(jī)制介導(dǎo)C2-C3位的脫氫，將黃烷酮轉(zhuǎn)化為黃酮，這與植物FNS的自由基催化機(jī)制完全不同，因此CfoJ是一種新型的真菌黃酮合酶。
該研究完整解析了真菌黃酮獨(dú)特的生物合成途徑，提示真菌黃酮合成途徑在進(jìn)化上是獨(dú)立的，而非通過(guò)基因水平轉(zhuǎn)移從植物中獲得。這一發(fā)現(xiàn)豐富了自然界黃酮生物合成的多樣性，同時(shí)也為其合成生物技術(shù)開發(fā)與微生物高效制造提供了新思路，對(duì)黃酮的應(yīng)用價(jià)值開發(fā)具有重要意義。
標(biāo)簽： 生物合成
