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醫(yī)科院藥物所戴均貴、陳大偉團隊與中國科學院微生物所劉宏偉團隊JACS：利用糖基轉(zhuǎn)移酶為探針定向挖掘真菌源活性糖苷分子

近日，中國醫(yī)學科學院藥物研究所戴均貴、陳大偉團隊與中國科學院微生物研究所劉宏偉團隊在Journal of the American Chemical Society 發(fā)表了研究論文，利用糖基轉(zhuǎn)移酶導(dǎo)向的基因組挖掘策略，從真菌中高效定向發(fā)現(xiàn)多個結(jié)構(gòu)新穎、藥理活性廣泛的糖苷化合物，為真菌中結(jié)構(gòu)新穎活性天然產(chǎn)物的定向發(fā)現(xiàn)提供了新思路與新策略。

糖苷化合物是活性天然產(chǎn)物及臨床藥物的重要組成部分，其分子中的糖基基團不僅是重要的藥效基團，還可改善化合物的藥代動力學特性，增加成藥性。天然糖苷化合物大多數(shù)來源于植物和細菌，真菌中發(fā)現(xiàn)的糖苷極少。目前，依靠傳統(tǒng)發(fā)酵、提取分離方法從真菌中僅發(fā)現(xiàn)400多個糖苷化合物。自然界中至少存在200萬種真菌，蘊含著巨大的糖苷類化合物生物合成潛力，但僅依靠傳統(tǒng)的分離純化手段嚴重限制了新穎活性糖苷化合物的高效發(fā)現(xiàn)與分子創(chuàng)新。因此，如何從數(shù)量龐大的真菌中高效、定向挖掘新穎結(jié)構(gòu)活性糖苷并進行分子創(chuàng)新是目前該領(lǐng)域研究的難點。

醫(yī)科院藥物所戴均貴研究員團隊一直致力于復(fù)雜活性糖苷化合物的生物合成、分子創(chuàng)新及藥物發(fā)現(xiàn)的研究。近年來，從藥用植物和真菌中發(fā)現(xiàn)多個新穎、雜泛性糖基轉(zhuǎn)移酶，并作為工具酶用于合成多種復(fù)雜活性糖苷分子，相關(guān)成果已相繼發(fā)表（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 12678; ACS Catal., 2018, 8, 4917; Nat. Commun., 2020, 11, 5162）?；谇捌谙盗袆?chuàng)新性成果，該團隊進一步利用糖基轉(zhuǎn)移酶為探針進行基因組挖掘，在真菌源活性糖苷分子的定向發(fā)現(xiàn)與分子創(chuàng)新方面取得重要進展。

圖1. 真菌源C-糖基轉(zhuǎn)移酶AuCGT的功能鑒定

在該工作中，醫(yī)科院藥物所戴均貴、陳大偉團隊與中國科學院微生物所劉宏偉團隊合作，首先解析了聚酮C-糖苷stromemycin的生物合成途徑，發(fā)現(xiàn)真菌中首個C-糖基轉(zhuǎn)移酶AuCGT（圖1）。以C-糖基轉(zhuǎn)移酶AuCGT為探針，通過同源蛋白挖掘、生物信息學分析，從NCBI等數(shù)據(jù)庫中挖掘到158個AuCGT同源蛋白及80個候選菌株。進化樹分析顯示，AuCGT及其同源蛋白處于獨立的進化分支，與已報道真菌O-糖基轉(zhuǎn)移酶和細菌C-糖基轉(zhuǎn)移酶相似度較低，親緣關(guān)系較遠（圖2），這為理解細菌源、真菌源、植物源C-糖基轉(zhuǎn)移酶之間的遺傳進化關(guān)系以及闡明C-糖基轉(zhuǎn)移酶的催化機制提供更多信息。雖然從上述絕大多數(shù)候選真菌中并未分離得到糖苷化合物，但通過antiSMASH分析預(yù)測，大部分AuCGT同源蛋白與聚酮合酶pks成簇分布，提示其合成聚酮糖苷化合物的潛力。

圖2. AuCGT導(dǎo)向的基因組挖掘和真菌源糖苷定向發(fā)現(xiàn)

為驗證候選菌株的聚酮糖苷合成潛力，作者優(yōu)選7株真菌進行發(fā)酵培養(yǎng)。通過異源表達、更換培養(yǎng)條件、交換啟動子等策略激活候選基因簇，并對其代謝產(chǎn)物進行分析，結(jié)合糖苷化合物的MS特征裂解規(guī)律，確定了它們合成糖苷化合物的能力。進一步基于LC-UV-MS指導(dǎo)定向分離，從3株真菌中分離得到28個糖苷化合物，其中20個為新化合物，包括縮酚酸C-糖苷、縮酚酸O-糖苷和α-吡喃酮C-糖苷等，糖基單元包括葡萄糖、半乳糖和脫氧糖，極大拓展了天然糖苷化合物的結(jié)構(gòu)多樣性（圖3）。同時還發(fā)現(xiàn)一些新穎縮酚酸C-/O-糖基轉(zhuǎn)移酶和α-吡喃酮C-糖基轉(zhuǎn)移酶，進一步確定了其它候選真菌具有合成該類糖苷化合物的能力。這些新穎糖基轉(zhuǎn)移酶可以繼續(xù)作為“酶探針”用于后續(xù)的基因組挖掘，定向發(fā)現(xiàn)真菌中更多不同結(jié)構(gòu)類型的新穎糖苷化合物。同時，將這些新穎糖基轉(zhuǎn)移酶作為基因元件用于組合生物合成與分子創(chuàng)新，進一步拓展了糖苷化合物的結(jié)構(gòu)多樣性（圖4）。

圖3. 三株代表性真菌中新穎糖苷化合物

圖4. 新穎糖苷化合物的組合生物合成

該研究為真菌中更多結(jié)構(gòu)新穎糖苷甚至其它類型化合物的定向發(fā)現(xiàn)與分子創(chuàng)新提供了新思路與新策略，尤其是含量低微或生物合成基因簇沉默的天然產(chǎn)物。同時為抗病毒、抗菌、抗糖尿病等創(chuàng)新藥物研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)類型多樣的活性分子。

中國醫(yī)學科學院藥物研究所陳大偉副研究員、宋治軍博士和中國科學院微生物研究所韓俊杰副研究員為共同第一作者，中國醫(yī)學科學院藥物研究所陳大偉副研究員、中國科學院微生物研究所劉宏偉研究員和中國醫(yī)學科學院藥物研究所戴均貴研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和醫(yī)科院創(chuàng)新工程的支持。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面，或點此查看原文）：

Targeted Discovery of Glycosylated Natural Products by Tailoring Enzyme-Guided Genome Mining and MS-Based Metabolome Analysis

Dawei Chen*, Zhijun Song, Junjie Han, Jimei Liu, Hongwei Liu*, and Jungui Dai*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.3c12895

導(dǎo)師介紹

戴均貴

https://www.x-mol.com/university/faculty/27240 

劉宏偉

https://www.x-mol.com/university/faculty/148669 

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