以大黃素為代表的蒽醌類化合物是一類廣泛存在于植物和絲狀真菌中的重要天然產物，因其多樣的生物學活性，如消炎、抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、瀉下等，而備受關注。蒽醌化合物C10-C4a鍵的切割是導致開環產生裂醌化合物結構多樣性的關鍵。盡管裂醌化合物的生物合成途徑已基本清晰，但其中最為關鍵的蒽醌開環機制卻仍存在疑團。
日前，中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物制造工程中心研究人員針對土曲霉地曲霉素生物合成基因簇中關鍵基因GedF和GedK展開了研究，發現了一類雙酶催化的蒽醌雙加氧開環新機制，相關成果以Bienzyme-catalytic and dioxygenation-mediated anthraquinone ring opening為題在線發表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.)上。
大黃素-8-甲醚是一種蒽醌類化合物，也是土曲霉地曲霉素生物合成途徑中的關鍵中間體。基于前期同位素追蹤實驗和日本學者Sankawa等的研究結果，長期以來科學界一直傾向于大黃素-8-甲醚的Baeyer-Villiger氧化開環假說。基于該假說，一個Baeyer-Villiger氧化酶催化大黃素-8-甲醚生成具有七元環結構的中間體，進而水解開環形成開環產物desmethylsulochrin。但是，本工作中研究人員通過一系列體內敲除和體外酶活表征研究發現，GedF和GedK兩個酶共同催化了大黃素-8-甲醚的開環過程，其中GedF首先催化還原大黃素-8-甲醚產生大黃素-8-甲醚氫醌，進而大黃素-8-甲醚氫醌在GedK的作用下開環產生desmethylsulochrin。
進一步18O同位素追蹤實驗顯示，開環產物desmethylsulochrin中新增的兩個氧原子均來源于同一個O2分子，且GedK執行催化開環功能并不需要輔因子FAD和NADPH的參與，這說明GedK是一類獨特的不需要輔因子參與的雙加氧酶。上述發現徹底推翻了傳統的蒽醌化合物Baeyer-Villiger氧化開環假說，并提出了一種雙酶催化雙加氧反應介導的蒽醌開環新機制。
有意思的是，還原酶GedF和雙加氧酶GedK雙酶開環系統具有較廣的底物寬泛性，可催化多種蒽醌類化合物開環，且其同源蛋白在自然界裂醌化合物生物合成基因簇中成對出現并存在共進化關系。本研究的開展不僅為闡明更加復雜的裂醌化合物生物合成機制提供了借鑒，更為合成生物學元件庫提供了兩種全新的酶學元件。
研究工作獲得了國家自然科學基金、山東省人才計劃和國家重點研發計劃的支持。
關鍵詞： 青島能源所 蒽醌類天然產物開環新機制 大黃素
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