| EN
当前位置:首页 > 最新动态

最新观点| 真菌NRPS-PKS杂合酶参与合成类黄酮柚皮素新途径

作者:李依萍、李焕改

黄酮类化合物是一类重要的酚类化合物,在自然界中广泛分布,已被证明具有抗氧化、抗癌症细胞增殖、抗炎和抗糖尿病的特性。柚皮素和查尔酮柚皮素是黄酮类化合物最丰富的成员,作为类黄酮合成的关键前体,其生物合成一直受到研究学者广泛的关注。一般来说,以香豆素酸(p-CA)为前体,经4-香豆素基-CoA连接酶(4CL)、查尔酮合酶(CHS)和查尔酮异构酶(CHI)的催化合成柚皮素,而在碱性条件下可以直接通过非酶环化将查尔酮柚皮素转化为柚皮素。真菌中也含有多种黄酮类化合物,如柚皮素、槲皮素、山奈酚等,然而关于真菌衍生类黄酮的生物合成鲜少研究。目前只有两种4CL和CHS样蛋白从内生真菌 Alternariasp中鉴定出来。

近日,中国科学院微生物研究所尹文兵课题组在国际权威期刊Nature Communications,发表了题为“A fungal NRPS-PKS enzyme catalyses the formation of the flavonoid naringenin”的研究论文,发现一种真菌非核糖体肽合成酶-聚酮合酶(NRPS-PKS杂合酶)FnsA,以不同于传统柚皮素合成途径参与柚皮素的形成。

image.png

在这项工作中,作者首先利用靶向基因组挖掘策略,从植物内生真菌 Pestalotiopsi fici CGMCC3.15140(P. fici)中鉴定了一种特殊的的真菌NRPS-PKS杂交酶,称为FnsA,具有独特的结构域A-T-KS-AT-DH-KR-ACP-TE(A,腺苷酸化;T,硫代化;KS,酮合成酶;AT,酰转移酶;DH,脱水酶;KR,酮酰还原酶;ACP,酰载体蛋白;TE,硫酯酶)(图1)。为了鉴定FnsA的功能,作者将克隆的fnsA基因在构巢曲霉和酿酒酵母中进行异源表达,经HPLC分析,可检测到微量的柚皮素(图1),猜测可能由于前体供应不足导致柚皮素产量较低。进一步使用不同底物饲喂实验以及同位素标记受体方法,最终证实FnsA以游离的芳香酸(对香豆酸p-CA和对羟基苯甲酸p-HBA)为底物,直接催化形成柚皮素(图2)。为了进一步确定FnsA酶 A结构域的功能,作者在大肠杆菌BAP1菌株中进行FnsAA-T的表达,对纯化的FnsAA-T进行体外酶活验证实验,证实FnsA 的A结构域具有多种功能,催化p-CA或p-HBA的腺苷化、硫酯的形成、以及与T结构域磷肽烯酰残基中的硫醇基进行共价结合。此外,底物特异性实验表明FnsA A结构域还可以活化肉桂酸和水杨酸等其他底物,具有一定的底物广谱性。

image.png

图1.  真菌NRPS-PKS杂交菌FnsA(PFICI_04360)的发现及功能鉴定

image.png

图2. FnsA作为一类新的柚皮素合酶参与柚皮素合成新途径

由于FnsA催化生成柚皮素所需的底物不同于CHS(III型PKS),于是作者又进一步对I型、II型和III型PKS以及FnsA同源蛋白的KS域进行了系统发育分析,发现FnsA及其同源蛋白的KS结构域集中位于一个独立的簇,该簇靠近I型PKS分支(图2)。

此外,该课题组在验证FnsA对于柚皮素生物合成中的关键功能后,利用fnsA基因,设计了在酵母中大量合成黄酮类物质的技术策略(图3)。研究结果发现在 fnsA 的参与下,成功实现异鼠李素和金合欢素的生物合成,其中异鼠李素在酵母中的从头合成是首次报道。通过优化发酵条件,产物终产量分别达到3.1 mg/L和10.4 mg/L。该研究对于植物类黄酮物质的高效生产,提供了一种针对关键前体柚皮素的替代工程方法。

image.png

图3. 在酿酒酵母中从头合成植物类黄酮

综上,该研究证明了FnsA是真菌柚皮素合成酶,以p-CA和p-HBA为前体,利用一个对香豆素酰辅酶 A 和三至四个丙二酰辅酶A分子作为底物,催化生成柚皮素。因此,FnsA参与合成柚皮素的途径是一种新型的柚皮素合成途径,不同于传统的III型PKS参与催化柚皮素生物合成的途径。该研究对于其他真菌NRPS-PKS酶家族基因功能的研究具有重要的借鉴意义,并为未知天然产物的发现及生物合成提供了新的技术与策略。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-34150-7

电话:010-62993788 邮箱:lss@ziiab.cn 版权所有©北京中智生物农业国际研究院 地址:北京市平谷区峪口镇峪达大街1号院 京ICP备20027069号-1